Τα κβαντικά υλικά εμφανίζουν εντυπωσιακές ιδιότητες που αναδύονται όταν διεγείρονται από εξωτερικές πηγές. Ωστόσο, αυτές οι διεγερμένες καταστάσεις φθίνουν ταχύτατα μόλις αφαιρεθεί η διέγερση, περιορίζοντας τις πρακτικές τους εφαρμογές.
Κβαντικά υλικά και ιδιότητες
Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ και το Ινστιτούτο Paul Scherrer PSI απέδειξαν τώρα μια μέθοδο για τη σταθεροποίηση αυτών των φευγαλέων καταστάσεων και τη μελέτη της κβαντικής τους συμπεριφοράς χρησιμοποιώντας φωτεινές ακτίνες Χ από τον ελεύθερο ηλεκτρονιακό λέιζερ SwissFEL του PSI. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Materials.
Ορισμένα υλικά εμφανίζουν συναρπαστικές κβαντικές ιδιότητες που μπορούν να οδηγήσουν σε μετασχηματιστικές τεχνολογίες, από συστήματα χωρίς ενεργειακές απώλειες έως μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας. Ωστόσο, όταν αυτά τα υλικά βρίσκονται σε φυσική κατάσταση, αυτές οι ιδιότητες παραμένουν κρυφές, και οι επιστήμονες πρέπει να τα «παρακαλέσουν ευγενικά» ώστε να εμφανιστούν.
Μια μέθοδος για αυτό είναι η χρήση εξαιρετικά σύντομων παλμών φωτός ώστε να τροποποιηθεί η μικροσκοπική δομή και οι ηλεκτρονικές αλληλεπιδράσεις στα υλικά αυτά, ώστε να εμφανιστούν οι λειτουργικές ιδιότητες. Όμως, τα καλά πράγματα δεν κρατούν για πάντα-οι καταστάσεις που προκαλούνται από το φως είναι παροδικές, διαρκώντας συνήθως μόνο μερικά πιικοσεκόντ, καθιστώντας τις δύσκολα αξιοποιήσιμες στην πράξη. Σε σπάνιες περιπτώσεις, αυτές οι καταστάσεις διαρκούν περισσότερο. Όμως η κατανόησή μας για αυτά τα φαινόμενα παραμένει περιορισμένη, και δεν υπάρχει γενικό πλαίσιο για το σχεδιασμό μακρόβιων διεγερμένων καταστάσεων.
Έλεγχος συμμετρίας σε ενώσεις οξειδίου του χαλκού
Μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ μαζί με συνεργάτες από το PSI ξεπέρασε αυτή την πρόκληση χειριζόμενη τη συμμετρία των ηλεκτρονικών καταστάσεων σε μια ένωση οξειδίου του χαλκού. Χρησιμοποιώντας τον ελεύθερο ηλεκτρονιακό λέιζερ SwissFEL του PSI, απέδειξαν ότι μια ειδικά σχεδιασμένη οπτική διέγερση μπορεί να προκαλέσει μια «μετασταθή» μη ισορροπιακή ηλεκτρονική κατάσταση που διαρκεί για αρκετά νανοσεκόντ—περίπου χίλιες φορές περισσότερο από το συνηθισμένο.
Καθοδήγηση ηλεκτρονίων με φως
Η ένωση που μελετήθηκε, Sr14Cu24O41-ένας λεγόμενος cuprate ladder-είναι σχεδόν μονοδιάστατη. Αποτελείται από δύο διακριτές δομικές μονάδες, τις λεγόμενες σκάλες και αλυσίδες, που αναπαριστούν τον τρόπο οργάνωσης των ατόμων χαλκού και οξυγόνου. Αυτή η μονοδιάστατη δομή προσφέρει μια απλουστευμένη πλατφόρμα για την κατανόηση σύνθετων φυσικών φαινομένων που εμφανίζονται επίσης σε συστήματα υψηλότερων διαστάσεων.
«Αυτό το υλικό είναι σαν τη δική μας μύγα των φρούτων. Είναι η ιδανική πλατφόρμα για να μελετήσουμε γενικά κβαντικά φαινόμενα», σχολιάζει ο πειραματικός φυσικός συμπυκνωμένης ύλης Matteo Mitrano από το Χάρβαρντ, που ηγήθηκε της μελέτης.
Μια νέα μέθοδος δημιουργίας μακρόβιων καταστάσεων
Μια μέθοδος για την επίτευξη μακρόβιας («μετασταθούς») μη ισορροπιακής κατάστασης είναι η παγίδευσή της σε μια ενεργειακή κοιλάδα από την οποία δεν έχει αρκετή ενέργεια για να ξεφύγει. Ωστόσο, αυτή η τεχνική ενέχει τον κίνδυνο πρόκλησης διαρθρωτικών μεταβάσεων φάσης που αλλάζουν τη μοριακή διάταξη του υλικού και αυτό είναι κάτι που ο Mitrano και η ομάδα του ήθελαν να αποφύγουν.
«Θέλαμε να δούμε αν υπήρχε άλλος τρόπος να “κλειδώσουμε” το υλικό σε μια μη ισορροπιακή κατάσταση με καθαρά ηλεκτρονικές μεθόδους», εξηγεί ο Mitrano. Για αυτόν τον λόγο, προτάθηκε μια εναλλακτική προσέγγιση.
Σε αυτή την ένωση, οι μονάδες των αλυσίδων περιέχουν υψηλή πυκνότητα ηλεκτρονικού φορτίου, ενώ οι σκάλες είναι σχετικά κενές. Σε ισορροπία, η συμμετρία των ηλεκτρονικών καταστάσεων εμποδίζει τη μεταφορά φορτίων μεταξύ των δύο μονάδων.
Ένας ακριβώς ρυθμισμένος παλμός λέιζερ σπάει αυτή τη συμμετρία, επιτρέποντας στα φορτία να κάνουν κβαντικό τούνελινγκ από τις αλυσίδες στις σκάλες. «Είναι σαν να ανοίγεις και να κλείνεις μια βαλβίδα», εξηγεί ο Mitrano.
Μόλις η λέιζερ διέγερση απενεργοποιηθεί, το τούνελ που συνδέει τις σκάλες με τις αλυσίδες κλείνει, διακόπτοντας την επικοινωνία μεταξύ αυτών των δύο μονάδων και παγιδεύοντας το σύστημα σε μια νέα μακρόβια κατάσταση για αρκετό χρόνο ώστε οι επιστήμονες να μπορέσουν να μελετήσουν τις ιδιότητές της.
Πρωτοποριακοί ανιχνευτές ακτίνων Χ υψηλής ταχύτητας
Οι εξαιρετικά φωτεινοί παλμοί ακτίνων Χ διάρκειας φεμτοσεκόντ που δημιουργούνται στον SwissFEL επέτρεψαν την καταγραφή των εξαιρετικά γρήγορων ηλεκτρονικών διαδικασιών που διέπουν τη δημιουργία και σταθεροποίηση της μετασταθούς κατάστασης.
Χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως χρονικά επιλυμένη ανάλυση συντονισμένης ανελαστικής σκέδασης ακτίνων Χ (tr-RIXS) στον σταθμό Furka του SwissFEL, οι ερευνητές αποκτούν μοναδική εικόνα για τις μαγνητικές, ηλεκτρικές και τροχιακές διεγέρσεις-και την εξέλιξή τους με την πάροδο του χρόνου-αποκαλύπτοντας ιδιότητες που συχνά παραμένουν κρυμμένες σε άλλες μεθόδους.
«Μπορούμε να στοχεύσουμε συγκεκριμένα τα άτομα που καθορίζουν τις φυσικές ιδιότητες του συστήματος», σχολιάζει ο Elia Razzoli, επικεφαλής του σταθμού Furka και υπεύθυνος για τη διάταξη του πειράματος.
Αυτή η δυνατότητα ήταν το κλειδί για την αποδόμηση της ηλεκτρονικής κίνησης που προκαλείται από το φως και δίνει γένεση στη μετασταθή κατάσταση.
«Με αυτή την τεχνική, μπορέσαμε να παρατηρήσουμε πώς κινούνταν τα ηλεκτρόνια στον έμφυτο υπερταχύ ρυθμό τους και έτσι να αποκαλύψουμε την ηλεκτρονική μετασταθερότητα», προσθέτει ο Hari Padma, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Χάρβαρντ και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Η αρχή πολλών ακόμη ανακαλύψεων
Το tr-RIXS προσφέρει μοναδική εικόνα για τη δυναμική ενέργειας και ορμής διεγερμένων υλικών, ανοίγοντας νέες επιστημονικές δυνατότητες για τους χρήστες του SwissFEL στη μελέτη κβαντικών υλικών· στην πραγματικότητα, αυτά τα αποτελέσματα προέκυψαν από το πρώτο πείραμα που διεξήχθη από εξωτερική ομάδα χρηστών στον νέο σταθμό Furka. Το ενδιαφέρον για την ανάπτυξη του tr-RIXS στον Furka ήταν που ώθησε την ομάδα του Χάρβαρντ να συνεργαστεί με επιστήμονες του PSI.
«Είναι σπάνια ευκαιρία να αποκτήσεις χρόνο σε μια μηχανή όπου μπορείς να κάνεις τέτοια πειράματα», σχολιάζει ο Mitrano.
Από αυτό το αρχικό πείραμα-πιλότο, ο σταθμός Furka έχει αναβαθμιστεί ώστε να βελτιώσει την ανάλυση ενέργειας του RIXS και είναι πλέον έτοιμος να μελετήσει νέους τύπους ατομικών και συλλογικών διεγέρσεων, όπως διεγέρσεις πλέγματος.
«Αυτό το πείραμα ήταν πολύ σημαντικό για να δείξουμε τι είδους πειράματα μπορούμε να κάνουμε. Ο σταθμός και τα όργανά του είναι ήδη πολύ καλύτερα τώρα και θα συνεχίσουμε να τον βελτιώνουμε», καταλήγει ο Razzoli.
Μια νέα εποχή ελέγχου μη ισορροπημένων κβαντικών καταστάσεων
Αυτό το έργο αποτελεί ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός στον έλεγχο κβαντικών υλικών εκτός ισορροπίας, με ευρείες επιπτώσεις για τις τεχνολογίες του μέλλοντος. Με τη σταθεροποίηση μη ισορροπημένων καταστάσεων που προκαλούνται από το φως, η μελέτη ανοίγει νέες δυνατότητες για το σχεδιασμό υλικών με ρυθμιζόμενες λειτουργικότητες.
Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει την ανάπτυξη υπερταχέων οπτοηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων μετατροπέων που μετατρέπουν ηλεκτρικά σήματα σε φως και αντίστροφα – βασικά στοιχεία για κβαντική επικοινωνία και φωτονικό υπολογισμό.
Προσφέρει επίσης μια διαδρομή προς μη πτητική αποθήκευση πληροφοριών, όπου τα δεδομένα κωδικοποιούνται σε κβαντικές καταστάσεις που δημιουργούνται και ελέγχονται από το φως.
Περισσότερες πληροφορίες: Hari Padma et al, Ηλεκτρονική μετασταθερότητα με προστασία συμμετρίας σε οπτικά κινούμενη κλίμακα χαλκού, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02254-2
Πληροφορίες περιοδικού: Nature Materials
Παρέχεται από το Ινστιτούτο Paul Scherrer