Μια διεθνής ομάδα ερευνητών ανακοίνωσε μια σημαντική πρόοδο στην κατανόηση της κβαντικής δυναμικής στα ημιαγώγιμα υλικά. Οι επιστήμονες παρατήρησαν απευθείας πώς τα εξιτόνια και τα φωνόνια εξελίσσονται μαζί σε νανοκρυστάλλους περοβσκίτη, αποκαλύπτοντας έναν πλήρως συνεκτικό κβαντικό χορό ανάμεσα στις ηλεκτρονικές διεγέρσεις που προκαλούνται από το φως και στις δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος.
Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Communications.
Ένα εξιτόνιο δημιουργείται όταν το φως διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο μέσα σε έναν ημιαγωγό. Το ηλεκτρόνιο απορροφά ενέργεια και αφήνει πίσω του μια θετικά φορτισμένη «τρύπα». Τα δύο δεσμεύονται μαζί και κινούνται μέσα στον κρύσταλλο ως ένα ενιαίο κβαντικό αντικείμενο. Ένα φωνόνιο είναι ένα διαφορετικό είδος κβαντικού αντικειμένου, καθώς αποτελεί το κβάντο της δόνησης του κρυσταλλικού πλέγματος. Αν και πρόκειται για θεμελιωδώς διαφορετικά αντικείμενα, στους περοβσκίτες συνδέονται ισχυρά και εξελίσσονται μαζί ως ένα συζευγμένο κβαντικό σύστημα.
Οι νανοκρύσταλλοι περοβσκίτη είναι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι μεγέθους μόλις λίγων νανομέτρων, δηλαδή χιλιάδες φορές μικρότεροι από το πάχος μιας τρίχας. Κάθε κρύσταλλος σχηματίζει ένα νανοκουτί που παγιδεύει τόσο τα εξιτόνια όσο και τα φωνόνια. Αυτός ο περιορισμός κάνει την αλληλεπίδραση μεταξύ τους ιδιαίτερα ισχυρή: Ένα εξιτόνιο στο εσωτερικό του νανοκρυστάλλου είναι στενά συζευγμένο με τις δονήσεις του περιβάλλοντος κρυσταλλικού πλέγματος.
Όταν ένα εξιτόνιο δημιουργείται από έναν σύντομο παλμό λέιζερ, παραμορφώνει επίσης ελαφρώς το περιβάλλον κρυσταλλικό πλέγμα, δημιουργώντας φωνόνια. Η ηλεκτρονική διέγερση και η δόνηση του πλέγματος σχηματίζουν στη συνέχεια μια κοινή κβαντική κατάσταση, γνωστή ως εξιτόνιο-πολαρόνιο.
Καταγράφοντας έναν συνεκτικό κβαντικό χορό
Στα περισσότερα στερεά σώματα, η αλληλεπίδραση με το κρυσταλλικό πλέγμα καταστρέφει γρήγορα τις εύθραυστες κβαντικές καταστάσεις. Η κίνηση πολλών ατόμων λειτουργεί σαν θόρυβος, εξαλείφοντας την κβαντική συνοχή. Ωστόσο, οι ερευνητές ανακάλυψαν μια εντυπωσιακή εξαίρεση σε νανοκρυστάλλους περοβσκίτη αλογονιδίου του μολύβδου. Σε χαμηλή θερμοκρασία 2 Kelvin, οι κρυσταλλικές δονήσεις παραμένουν καλά καθορισμένες, επιτρέποντας στην κβαντική κατάσταση να εξελιχθεί συνεκτικά για περίπου 10 picoseconds, κάτι που αντιστοιχεί σε πολλές ταλαντώσεις και, κατά συνέπεια, σε πολλές στροφές του κβαντικού χορού.
Χρησιμοποιώντας πολύ σύντομους παλμούς λέιζερ διάρκειας περίπου εκατό femtoseconds, η πειραματική ομάδα από το Πανεπιστήμιο TU Dortmund παρακολούθησε άμεσα αυτή την εξέλιξη και παρατήρησε έντονους κβαντικούς παλμούς (quantum beats). Αυτοί οι παλμοί εμφανίζονται όταν ένα σύστημα υπάρχει σε μια συνεκτική υπέρθεση διαφορετικών κβαντικών καταστάσεων ταυτόχρονα. Καθώς κάθε κατάσταση εξελίσσεται με ελαφρώς διαφορετική ενέργεια, τα κβαντικά τους κύματα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτή η συμβολή παράγει μια ρυθμική ταλάντωση, έναν κβαντικό παλμό.
Στους νανοκρυστάλλους που εξετάστηκαν, αυτές οι ταλαντώσεις αποκάλυψαν πώς τα εξιτόνια και οι κρυσταλλικές δονήσεις ανταλλάσσουν ενέργεια και εξελίσσονται μαζί σε εξαιρετικά γρήγορες χρονικές κλίμακες. Αυτό που κάνει το αποτέλεσμα ιδιαίτερα αξιοσημείωτο είναι το εξαιρετικά μεγάλο εύρος των κβαντικών παλμών και η μακρά διάρκεια της συνοχής τους, ένα καθεστώς που παρέμενε πειραματικά απρόσιτο σε άλλα στερεά συστήματα.
Ρύθμιση του φαινομένου μέσω του μεγέθους
Σε στενή συνεργασία με θεωρητικές ομάδες από τον τομέα της Θεωρίας Συμπυκνωμένης Ύλης στο Πανεπιστήμιο TU Dortmund και το Πανεπιστήμιο Jackson State των ΗΠΑ, οι ερευνητές έδειξαν ότι το φαινόμενο μπορεί να ρυθμιστεί απλώς με την αλλαγή του μεγέθους του νανοκρυστάλλου. Τα εξιτόνια σε μικρότερους νανοκρυστάλλους συζεύγνυνται ισχυρότερα με τις δονήσεις του πλέγματος, ενώ σε μεγαλύτερους οι ταλαντώσεις διατηρούνται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Αυτό ανοίγει έναν πρακτικό τρόπο για τον σχεδιασμό και τον έλεγχο της κβαντικής δυναμικής του συστήματος.
Τα ευρήματα αναδεικνύουν τους νανοκρυστάλλους περοβσκίτη ως μια πολλά υποσχόμενη πλατφόρμα για μελλοντικές κβαντικές συσκευές. Η ικανότητα ελέγχου της συνεκτικής δυναμικής εξιτονίων-φωνονίων θα μπορούσε να επιτρέψει νέες προσεγγίσεις για την επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών σε ημιαγωγούς, την ανάπτυξη κβαντικών πηγών φωτός και τη δημιουργία μεμονωμένων φωνονίων -δηλαδή μεμονωμένων πακέτων κρυσταλλικής δόνησης.
Ευρύτερα, η εργασία δείχνει ότι οι κρυσταλλικές δονήσεις, που συχνά θεωρούνται πηγή αποσυνοχής, μπορούν αντίθετα να μετατραπούν σε έναν χρήσιμο κβαντικό πόρο.