Οι δισδιάστατες συσκευές έχουν κρυφές κοιλότητες που μπορούν να τροποποιήσουν τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων

Σε ορισμένους συνδυασμούς και συνθήκες, τα δισδιάστατα υλικά μπορούν να φιλοξενήσουν συναρπαστικές και ενδεχομένως πολύτιμες κβαντικές φάσεις, όπως η υπεραγωγιμότητα και μοναδικές μορφές μαγνητισμού. Το γιατί εμφανίζονται και πώς μπορούν να ελεγχθούν αποτελεί αντικείμενο έντονου ενδιαφέροντος για τους φυσικούς και τους μηχανικούς. Έρευνα που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics αποκαλύπτει ένα προηγουμένως κρυφό χαρακτηριστικό που θα μπορούσε να εξηγήσει πώς και γιατί αναδύονται αυτές οι αινιγματικές κβαντικές φάσεις.

Ανακάλυψη κρυφών κοιλοτήτων στα δισδιάστατα υλικά

Χρησιμοποιώντας μια νέα τεχνική τεραχερτζ φασματοσκοπίας (THz), οι ερευνητές αποκάλυψαν ότι μικροσκοπικές στοίβες 2D υλικών, που υπάρχουν σε ερευνητικά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο, μπορούν να σχηματίζουν φυσικά κοιλότητες. Αυτές οι κοιλότητες παγιδεύουν φως και ηλεκτρόνια σε ακόμη μικρότερους χώρους, αλλάζοντας ενδεχομένως δραματικά τη συμπεριφορά τους.

«Ανακαλύψαμε ένα κρυφό επίπεδο ελέγχου στα κβαντικά υλικά και ανοίξαμε έναν δρόμο για τη διαμόρφωση των αλληλεπιδράσεων φωτός–ύλης με τρόπους που μπορούν να μας βοηθήσουν τόσο να κατανοήσουμε εξωτικές φάσεις της ύλης όσο και να τις αξιοποιήσουμε για μελλοντικές κβαντικές τεχνολογίες», δήλωσε ο James McIver, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Columbia και κύριος συγγραφέας της μελέτης.

Από το Αμβούργο στη Νέα Υόρκη

Η ανακάλυψη ξεκίνησε στο Αμβούργο, όταν ο McIver ήταν επικεφαλής ομάδας στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Δομή και τη Δυναμική της Ύλης (MPSD), έναν από τους οργανισμούς που αποτελούν το Κέντρο Max Planck-Νέας Υόρκης για τα Μη Ισορροπιακά Κβαντικά Φαινόμενα. Οι ερευνητές του Κέντρου ενδιαφέρονται για το τι συμβαίνει όταν σταθερά συστήματα βγαίνουν από την ισορροπία.

Το εργαστήριο του McIver στράφηκε στο φως. «Τα 2D υλικά, με τις συναρπαστικές μακροσκοπικές τους ιδιότητες, συχνά συμπεριφέρονται σαν μαύρα κουτιά. Φωτίζοντάς τα, μπορούμε κυριολεκτικά να ρίξουμε φως στη κρυφή συμπεριφορά των ηλεκτρονίων τους, αποκαλύπτοντας λεπτομέρειες που διαφορετικά θα παρέμεναν αόρατες», εξήγησε η Gunda Kipp, υποψήφια διδάκτορας στο MPSD και πρώτη συγγραφέας της δημοσίευσης.

Μικροσκοπικό φασματόμετρο και τεραχερτζ φως

Για να αντιμετωπίσουν τη δυσαναλογία μεγέθους μεταξύ του μήκους κύματος του φωτός και του ίδιου του υλικού (μικρότερου από μια ανθρώπινη τρίχα), η ομάδα δημιούργησε ένα φασματόμετρο μεγέθους τσιπ που παγιδεύει τεραχερτζ φωτός – το φάσμα όπου εμφανίζονται τα πιο αινιγματικά κβαντικά φαινόμενα – από 1 χιλιοστό έως μόλις 3 μικρόμετρα. Αυτό επιτρέπει την οπτική απεικόνιση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων σε 2D συστήματα.

Οι ερευνητές ξεκίνησαν με γραφένιο, για να ελέγξουν πόσο καλά το φασματόμετρο μπορούσε να μετρήσει την οπτική αγωγιμότητα σε ένα ήδη καλά μελετημένο υλικό. Οι πειραματισμοί βασίστηκαν σε πράσινους υπερταχείς παλμούς λέιζερ που εστίαζαν μέσα σε έναν κρυοστάτη για να παράγουν και να ανιχνεύσουν το τεραχερτζ φωτός – και τότε παρατήρησαν απροσδόκητα στάσιμα κύματα.

Όταν το φως και τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν «κύματα» μαζί

«Το φως μπορεί να συνδεθεί με τα ηλεκτρόνια και να σχηματίσει υβριδικά φωτονιο-ηλεκτρονικά ψευδοσωματίδια. Αυτά κινούνται σαν κύματα και, υπό ορισμένες συνθήκες, μπορούν να περιοριστούν – όπως το στάσιμο κύμα μιας χορδής κιθάρας που παράγει έναν συγκεκριμένο ήχο», εξήγησε η Hope Bretscher, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο MPSD και συν-πρώτη συγγραφέας.

Στην περίπτωση της κιθάρας, τα σταθερά άκρα της χορδής ορίζουν τα όρια του στάσιμου κύματος· στην οπτική, ένα παρόμοιο φαινόμενο μπορεί να δημιουργηθεί με δύο καθρέφτες, οι οποίοι παγιδεύουν το φως μεταξύ τους και δημιουργούν μια οπτική κοιλότητα. Όταν ένα υλικό τοποθετείται ανάμεσα στους καθρέφτες, το φως που ανακλάται αλληλεπιδρά με αυτό, αλλάζοντας τις ιδιότητές του.

Πολλαπλά στρώματα και αλληλεπιδρώντα κύματα

Η ομάδα μελέτησε μια συσκευή αποτελούμενη από πολλαπλά στρώματα, το καθένα από τα οποία μπορεί να λειτουργήσει ως κοιλότητα, χωρισμένη από λίγες δεκάδες νανόμετρα. Οι πλασμόνιοι που σχηματίζονται σε κάθε στρώμα μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, συχνά ισχυρά. «Είναι σαν να συνδέεις δύο χορδές κιθάρας· μόλις ενωθούν, ο ήχος αλλάζει», είπε η Bretscher. «Στην περίπτωσή μας, αλλάζει δραστικά».

Απλή θεωρία για πολύπλοκα φαινόμενα

Το επόμενο ερώτημα ήταν τι καθορίζει τις συχνότητες δόνησης των ψευδοσωματιδίων και πόσο ισχυρά αλληλεπιδρούν το φως και το υλικό. «Με τον συν-συγγραφέα και μεταδιδακτορικό ερευνητή του MPSD, Marios Michael, αναπτύξαμε μια αναλυτική θεωρία που χρειάζεται μόνο μερικές γεωμετρικές παραμέτρους του δείγματος για να ταιριάξει με τα πειραματικά αποτελέσματα», εξήγησε η Kipp.

«Με το πάτημα ενός κουμπιού, η θεωρία μας μπορεί να εξαγάγει τις ιδιότητες ενός υλικού και να μας βοηθήσει να σχεδιάσουμε και να προσαρμόσουμε μελλοντικά δείγματα ώστε να αποκτήσουν συγκεκριμένες ιδιότητες. Για παράδειγμα, παρακολουθώντας συντονισμούς σε συνάρτηση με την πυκνότητα φορέων, τη θερμοκρασία ή το μαγνητικό πεδίο, μπορούμε να αποκαλύψουμε τους μηχανισμούς που οδηγούν σε διαφορετικές κβαντικές φάσεις».

Ένα τυχαίο εύρημα με μεγάλες προοπτικές

Αν και η δημοσιευμένη εργασία επικεντρώθηκε στους πλασμόνιους, το νέο τεραχερτζ φασματόμετρο μικροκλίμακας μπορεί να παρατηρήσει και άλλους τύπους ψευδοσωματιδίων που ταλαντώνονται σε μια ποικιλία δισδιάστατων υλικών. Η ομάδα ήδη μελετά νέα δείγματα στο Αμβούργο και στη Νέα Υόρκη.

«Όλο το έργο ήταν μια κάπως τυχαία ανακάλυψη. Δεν περιμέναμε να δούμε αυτά τα φαινόμενα κοιλότητας, αλλά ανυπομονούμε να τα χρησιμοποιήσουμε για να χειριστούμε φαινόμενα στα κβαντικά υλικά στο μέλλον», είπε η Bretscher. «Και τώρα που έχουμε μια τεχνική για να τα βλέπουμε, μας εξιτάρει να μάθουμε πώς μπορεί να επηρεάζουν και άλλα υλικά και φάσεις».