Για πρώτη φορά, φυσικοί απέδειξαν ότι η υπεραγωγιμότητα ενός υλικού μπορεί να τροποποιηθεί μέσω της σύζευξής του με μια ενσωματωμένη κοιλότητα που περιορίζει το φως.
Σε πειράματα που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, μια ομάδα υπό τον Itai Keren στο Πανεπιστήμιο Columbia έδειξε πώς οι κβαντικές ιδιότητες μπορούν να σχεδιαστούν σκόπιμα μέσω της ένωσης προσεκτικά επιλεγμένων υλικών – χωρίς την εφαρμογή εξωτερικού φωτός, πίεσης ή μαγνητικού πεδίου.
Αναδυόμενες ιδιότητες και κβαντική συμπεριφορά
Καθώς οι ερευνητές διερευνούν την κβαντική συμπεριφορά των στερεών, ανακαλύπτουν πλήθος αναδυόμενων ιδιοτήτων που προκύπτουν από περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων, κβαντικών σπιν και εντοπισμένων δονήσεων του κρυσταλλικού πλέγματος. Φαινόμενα όπως η υπεραγωγιμότητα, ο μαγνητισμός και η διάταξη φορτίου αναδύονται από τέτοιου είδους συλλογικά αποτελέσματα, τα οποία είναι πιο σύνθετα από το άθροισμα των μικροσκοπικών μερών τους. Οι φυσικοί εξετάζουν πλέον αν τα υλικά θα μπορούσαν να σχεδιαστούν με συγκεκριμένες αναδυόμενες συμπεριφορές ενσωματωμένες απευθείας στις δομές τους, διαμορφώνοντας το κβαντικό περιβάλλον εξαρχής.
Ένα συντονισμένο ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον
Στη μελέτη τους, ο Keren και οι συνεργάτες του ερεύνησαν αν οι κβαντικές ιδιότητες ενός υλικού θα μπορούσαν να αλλοιωθούν φιλοξενώντας τη δική του φωτονική κοιλότητα. Για να δημιουργήσει μια εσωτερική εκδοχή μιας τέτοιας κοιλότητας, η ομάδα χρησιμοποίησε έναν λεπτό κρύσταλλο εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου (hBN). Μέσα σε ορισμένα εύρη υπέρυθρων συχνοτήτων, το φως που ταξιδεύει παράλληλα με τα στρώματα συνδέεται ισχυρά με τις δονήσεις του ατομικού πλέγματος, δημιουργώντας μια υβριδική διέγερση φωτός – ύλης που περιορίζεται στενά μέσα στην πλάκα.
Τροποποίηση της υπεραγωγιμότητας
Οι ερευνητές τοποθέτησαν το φύλλο hBN πάνω σε έναν μοριακό υπεραγωγό, όπου οι διπλοί δεσμοί άνθρακα – άνθρακα δονήθηκαν φυσικά σε υπέρυθρες συχνότητες. Όταν τα δύο υλικά ήρθαν σε επαφή, οι υπέρυθρες λειτουργίες του υπεραγωγού συνδέθηκαν συντονισμένα με τις περιορισμένες λειτουργίες της κοιλότητας hBN. Ως αποτέλεσμα, η πυκνότητα του υπερρευστού του υπεραγωγού καταστάλθηκε αισθητά, ακόμη και σε πλήρες σκοτάδι, χωρίς καμία εξωτερική φωτιστική πηγή λέιζερ.
Μηχανική κβαντικών υλικών
Αυτή η συμπεριφορά έρχεται σε πλήρη αντίθεση με τα περισσότερα κβαντικά υλικά που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα, των οποίων οι εξωτικές ιδιότητες απαιτούν συνήθως αλλαγές στη χημική σύνθεση ή εξωτερικό συντονισμό. Αποδεικνύοντας ότι η υπεραγωγιμότητα μπορεί να τροποποιηθεί απλώς με τη σύνδεση ενός υλικού σε μια άλλη δομή με ενσωματωμένη ηλεκτρομαγνητική κοιλότητα, η ομάδα του Keren παρέχει πειστικές αποδείξεις ότι οι κβαντικές θεμελιώδεις καταστάσεις μπορούν να κατασκευαστούν μέσω του περιβάλλοντος κενού τους.
