Lokalizacja Wanniera-Starka to rzadki stan kwantowy

W polikryształach odkryto rzadki stan kwantowy. Nadchodzą lepsze ekrany LCD i precyzyjniejsze lasery

Niemieckim naukowcom udało się osiągnąć rzadki stan kwantowy – chodzi o tzw. lokalizację Wanniera-Starka w substancji polikrystalicznej. Osiągnięcie to może doprowadzić do powstania nowych modulatorów optycznych, które będzie można wykorzystać m.in. w technologiach informatycznych opartych na świetle.

Lokalizacja Wanniera-Starka jest znana nauce już od ponad 80 lat, ale dopiero niedawno udało się ją zaobserwować w monokryształach, których produkcja jest skomplikowana. Naukowcom z Instytutu Maksa Plancka do Badań nad Polimerami, Uniwersytetu w Paderborn i Uniwersytetu w Konstancji udało się osiągnąć go w polikryształach. Wyniki opublikowano w Nature Communications.

Z monokryształu do polikryształu

Atomy w kryształach są połączone wiązaniami chemicznymi i tworzą siatkę 3D – można je rozerwać za pomocą silnego pola elektrycznego, które jest w stanie przypadkowo zniszczyć całą siatkę krystaliczną. Dzieje się tak np. podczas uderzenia pioruna, gdy materiały się skraplają, parują lub palą.

Aby pokazać, jak wygląda lokalizacja Wanniera-Starka, naukowcy przeprowadzili eksperyment polegający na wytworzeniu pól elektrycznych o natężeniu kilku milionów woltów na centymetr, znacznie silniejszych niż podobne pola wytwarzane podczas uderzeń piorunów. W takich okolicznościach, ciało stałe (np. polikryształ) zostaje na krótki czas wytrącone ze stanu równowagi.

Lokalizacja Wanniera-Starka polega na czasowym wyłączeniu niektórych wiązań chemicznych. Taki stan można utrzymać tylko przez mniej niż pikosekundę – jedną milionową część jednej milionowej sekundy – bez zniszczenia substancji. Gdy pole elektryczne wewnątrz kryształu jest wystarczająco silne, wiązania chemiczne w kierunku pola zostają dezaktywowane, co sprawia, że kryształ staje się na krótko układem niepowiązanych ze sobą warstw. Panuje chaos. Zjawisko to koreluje z drastycznymi zmianami w strukturze elektronicznej kryształu, co prowadzi do wyraźnych zmian właściwości optycznych, w szczególności wysokiej nieliniowości optycznej.

prof. Torsten Meier z Uniwersytetu w Paderborn

Efekty te mogą np. przyczynić się do powstania nowych częstotliwości, bez których nie byłaby możliwa ukierunkowana manipulacja światłem, niezbędna w nowoczesnej telekomunikacji.

Czytaj też: Stan kwantowy z nowym rekordem. Osiągnięcie naukowców może doprowadzić do powstania nowej formy internetu

Lokalizację Wanniera-Starka po raz pierwszy zademonstrowano trzy lata temu przy użyciu intensywnego promieniowania terahercowego w krysztale arsenku galu. Teraz fizycy poszli krok dalej – chcieli zbadać, czy polikrystaliczny perowskit, powszechnie stosowany w ogniwach słonecznych i diodach LED, można również wykorzystać jako modulator optyczny. Zmieniają one właściwości światła i są wykorzystywane m.in. w telekomunikacji, wyświetlaczach LCD czy laserach diodowych. Ich wytwarzanie do tej pory było jednak kosztowne, bo ograniczało się tylko do monokryształów. Nowe badania to zmieniają, bo dotyczą polikryształów.

Chociaż próbka jest polikrystaliczna, wydaje się, że zmiany właściwości optycznych wywołane polem są zdominowane przez określoną orientację między krystalitami a polem elektrycznym.

prof. Torsten Meier

W niedalekiej przyszłości naukowcy zamierzają dokładniej przyjrzeć się temu rzadkiemu stanowi kwantowemu na poziomie atomowym.

Plany naukowców na przyszłość obejmują dokładniejsze zbadanie tego ekstremalnego stanu materii na poziomie atomowym, zbadanie dodatkowych substancji i zbadanie dalszych zastosowań tego efektu.