Новий підхід до керування квантовими матеріалами
Що, якби просте спрямування світла на матеріал могло надати йому абсолютно нові можливості?
Ця ідея може здатися фантазією, але вона лежить в основі нової галузі фізики, відомої як інженерія Флоке. Дослідники в цій галузі вивчають, як повторювані впливи, такі як ретельно налаштоване світло, можуть тимчасово змінити поведінку електронів всередині матеріалу. Коли це відбувається, знайома речовина, така як напівпровідник, може ненадовго набути незвичайних властивостей, включаючи поведінку, яка зазвичай пов’язана з надпровідниками.
Хоча основна теорія фізики Флоке датується пропозицією Оки та Аокі 2009 року, експериментальне доведення було складним. Лише невелика кількість експериментів за останнє десятиліття успішно продемонструвала чіткі ефекти Флоке. Одним з основних обмежень була потреба в надзвичайно інтенсивному світлі. Ці високі рівні енергії близькі до руйнування матеріалу, водночас спричиняючи лише незначні зміни.
Екситони пропонують більш ефективну альтернативу
Дослідники тепер визначили новий перспективний спосіб досягнення ефектів Флоке, не покладаючись на такі екстремальні умови освітлення. Глобальна команда дослідників під керівництвом Окінавського інституту науки і технологій (OIST) та Стенфордського університету показала, що екситони можуть викликати ці ефекти набагато ефективніше, ніж саме світло. Їхні висновки були опубліковані в журналі Nature Physics.
«Екситони набагато сильніше зв’язуються з матеріалом, ніж фотони, завдяки сильній кулонівській взаємодії, особливо в двовимірних матеріалах», — каже професор Кешав Дані з відділу фемтосекундної спектроскопії OIST, — «і таким чином вони можуть досягати сильних ефектів Флоке, уникаючи при цьому проблем, пов’язаних зі світлом. Завдяки цьому у нас є новий потенційний шлях до екзотичних майбутніх квантових пристроїв і матеріалів, які обіцяє інженерія Флоке».
Цей підхід вказує на новий шлях керування квантовими матеріалами, одночасно зменшуючи ризик пошкодження.
Як інженерія Флоке змінює квантові матеріали
Інженерія Флоке вже давно розглядається як можливий спосіб створення індивідуальних квантових матеріалів зі звичайних напівпровідників. Ідея базується на відомому фізичному принципі. Коли система зазнає повторюваного впливу, її реакція може стати складнішою, ніж саме повторення. Простим прикладом є гойдалки на дитячому майданчику, де часові поштовхи змушують гойдалки підніматися вище, навіть якщо рух залишається ритмічним.
У квантових матеріалах електрони вже мають повторювану структуру, оскільки атоми розташовані в упорядкованій кристалічній решітці. Це просторове повторення обмежує електрони певними енергетичними рівнями, відомими як зони. Коли світло з фіксованою частотою взаємодіє з кристалом, воно вводить другий повторюваний вплив, який розгортається з часом. Коли фотони ритмічно взаємодіють з електронами, дозволені енергетичні зони зміщуються.
Ретельно регулюючи частоту та інтенсивність світла, електрони можуть тимчасово займати нові гібридні енергетичні зони. Ці зміни впливають на те, як електрони рухаються та взаємодіють, що змінює загальні властивості матеріалу. Коли світло вимикається, матеріал повертається до свого початкового стану. Однак під час взаємодії дослідники можуть ефективно надавати матеріалам нові квантові характеристики.
Чому традиційні світлові методи були недостатні
«Досі інженерія Флоке була синонімом світлових приводів», — каже Сін Чжу, аспірант OIST. «Але хоча ці системи відіграли важливу роль у доведенні існування ефектів Флоке, світло слабо взаємодіє з матерією, а це означає, що для досягнення гібридизації потрібні дуже високі частоти, часто на фемтосекундному рівні. Такі високі рівні енергії, як правило, випаровують матеріал, і ефекти дуже короткочасні. Навпаки, екситонна інженерія Флоке вимагає набагато нижчих інтенсивностей».
Ця проблема уповільнила прогрес у напрямку практичного застосування.
Що таке екситони та чому вони важливі
Екситони утворюються всередині напівпровідників, коли електрони поглинають енергію та переходять зі стану спокою у валентній зоні до стану вищої енергії в зоні провідності. Цей процес залишає після себе позитивно заряджену дірку. Електрон і дірка залишаються пов’язаними як короткоживуча квазічастинка, доки електрон не впаде назад і не випромінить світло.
Оскільки екситони походять від власних електронів матеріалу, вони набагато сильніше взаємодіють з навколишньою структурою, ніж зовнішнє світло. Вони також несуть коливальну енергію від свого початкового збудження, яка впливає на сусідні електрони на регульованих частотах.
«Екситони несуть автоколивальну енергію, що передається початковим збудженням, яка впливає на навколишні електрони в матеріалі на регульованих частотах. Оскільки екситони створюються з електронів самого матеріалу, вони набагато сильніше зв’язуються з матеріалом, ніж світло. І, що найважливіше, потрібно значно менше світла, щоб створити популяцію екситонів, достатньо щільну, щоб служити ефективним періодичним двигуном для гібридизації – саме це ми зараз і спостерігаємо», – пояснює співавтор професор Джанлука Стефануччі з Римського університету Тор Вергата.
Фотоскопія з удосконаленою спектроскопією
Цей прогрес базується на багаторічних дослідженнях екситонів в OIST та розробці потужної системи TR-ARPES (фотоемісійна спектроскопія з роздільною здатністю за часом та кутом).
Щоб відокремити вплив світла від впливу екситонів, команда вивчала атомарно тонкий напівпровідник. Спочатку вони застосували потужне оптичне (тобто світлове) джерело живлення, щоб безпосередньо спостерігати зміни в електронній зонній структурі, що підтвердило очікувану поведінку Флоке. Потім вони зменшили інтенсивність світла більш ніж на порядок величини та виміряли електронний відгук через 200 фемтосекунд. Такий час дозволив їм виділити екситонний внесок.
«Експерименти говорили самі за себе», — каже доктор Вівек Парік, випускник OIST, який зараз є постдокторантом Каліфорнійського технологічного інституту. «Нам знадобилися десятки годин збору даних, щоб спостерігати репліки Флоке за допомогою світла, але лише близько двох, щоб досягти екситонного Флоке — і з набагато сильнішим ефектом».
До практичного квантового дизайну матеріалів
Результати показують, що ефекти Флоке не обмежуються методами на основі світла. Їх також можна надійно генерувати за допомогою інших бозонних частинок, окрім фотонів. Екситонна інженерія Флоке вимагає набагато менше енергії, ніж оптичні методи, і відкриває двері до ширшого набору інструментів.
В принципі, подібних ефектів можна досягти за допомогою фононів (за допомогою акустичних коливань), плазмонів (за допомогою вільно плаваючих електронів), магнонів (за допомогою магнітних полів) та інших збуджень. Разом ці можливості наближають інженерію Флоке до практичного використання та надійного створення нових квантових матеріалів і пристроїв.
«Ми відкрили шлях до прикладної фізики Флоке», — підсумовує співавтор дослідження доктор Девід Бекон, колишній дослідник OIST, який зараз працює в Університетському коледжі Лондона, — «до широкого кола бозонів. Це дуже захопливо, враховуючи його великий потенціал для створення та безпосереднього маніпулювання квантовими матеріалами. У нас поки що немає рецепту для цього, але тепер у нас є спектральна сигнатура, необхідна для перших практичних кроків».
Джерело: ScienceDaily
