Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ και το ETH Ζυρίχης πέτυχαν την οπτική ανίχνευση και τον χειρισμό των εσωτερικών δονήσεων σε κρυστάλλους Wigner, χρησιμοποιώντας ένα ατομικά λεπτό στρώμα δισεληνιούχου βολφραμίου.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics και αποκαλύπτει νέες μεθόδους ελέγχου των ηλεκτρονικών καταστάσεων χωρίς τη χρήση εξωτερικών μαγνητικών πεδίων.
Ο σχηματισμός και η ανίχνευση των κρυστάλλων
Σε χαμηλές θερμοκρασίες και χαμηλές πυκνότητες, οι αμοιβαίες ηλεκτρικές απώσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων υπερισχύουν της τάσης τους για κίνηση. Αυτό αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να διαταχθούν σε περιοδικά πλέγματα, γνωστά ως κρύσταλλοι Wigner.
Για τη μελέτη του φαινομένου, η ομάδα χρησιμοποίησε μία δομή δισεληνιούχου βολφραμίου εγκλωβισμένη ανάμεσα σε στρώματα εξαγωνικού νιτριδίου του βορίου στους 5 Kelvin. Η προσβολή του υλικού με φως δημιούργησε εξιτόνια, τα οποία αλληλεπίδρασαν με το πλέγμα ηλεκτρονίων προκαλώντας τοπικές παραμορφώσεις.
Το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης ήταν ο σχηματισμός ενός σωματιδίου που ονομάζεται πολαρώνιο Wigner. Η φασματοσκοπική ανάλυση της ανάκλασης του φωτός από αυτά τα πολαρώνια επέτρεψε στους ερευνητές να παρατηρήσουν για πρώτη φορά τις χαρακτηριστικές δονήσεις (φωνόνια) του ηλεκτρονικού κρυσταλλικού πλέγματος.
Χειρισμός spin και μη θερμική τήξη
Η οπτική προσέγγιση επέτρεψε στην ερευνητική ομάδα να ελέγξει τις εσωτερικές ιδιότητες του κρυστάλλου με δύο τρόπους:
Με τη χρήση κυκλικά πολωμένου φωτός, οι ερευνητές ευθυγράμμισαν τα spin των ηλεκτρονίων προς συγκεκριμένη κατεύθυνση, αντικαθιστώντας τη χρήση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Αυξάνοντας την οπτική ισχύ για τη δημιουργία υψηλής πυκνότητας εξιτονίων, διαπιστώθηκε η εξασθένηση των δονήσεων και η σταδιακή τήξη του κρυστάλλου. Τα εξιτόνια φαίνεται να θωρακίζουν τις αλληλεπιδράσεις Coulomb, καθιστώντας το πλέγμα πιο εύκαμπτο.
Η μέθοδος αυτή προσφέρει έναν νέο μηχανισμό ταχείας επαγωγής φασικών μεταστάσεων και μελέτης εύθραυστων κβαντικών καταστάσεων, ανοίγοντας δρόμους για εφαρμογές στην οπτοηλεκτρονική, τη σπιντρονική και τις τεχνολογίες κβαντικών υπολογιστών.
