Atomowy balet trwający pikosekundę
Badacze skupili się na tak zwanych materiałach moiré, czyli specjalnych strukturach powstających poprzez nałożenie na siebie dwóch niezwykle cienkich warstw atomowych i lekkie skręcenie jednej względem drugiej. Te precyzyjnie ułożone struktury potrafią zachowywać się w zaskakujący sposób – zwykły przewodnik może nabyć właściwości nadprzewodzących albo wykazywać cechy magnetyczne. Do niedawna panowało przekonanie, jakoby po uformowaniu takich struktur pod odpowiednim kątem pozostawały one nieruchome. Najnowsze badania kompletnie podważyły tę teorię.
Czytaj też: Tytanian strontu to nieoczekiwany sojusznik w rozwoju technologii kwantowych
Pokazaliśmy, że wcale nie jest nieruchoma – atomy będą się poruszać. W rzeczywistości atomy w każdej komórce jednostkowej moiré wykonają swego rodzaju taniec w kółko – tłumaczy Fang Liu ze Stanford University
W eksperymencie wykorzystano WSe2/MoSe2 skręcone o 2° i 57°. Gdy impuls światła trafia w materiał, atomy zaczynają poruszać się synchronicznie – skręcają się i rozkręcają w precyzyjnym rytmie. Cały proces trwa około pikosekundy, czyli jedną bilionową część sekundy. Mechanizm stojący za tym zjawiskiem jest równie fascynujący co samo zjawisko. Ruch atomowy generowany jest przez niezwykle szybki transfer ładunku, który tymczasowo wzmacnia przyciąganie między warstwami. Naukowcy zmierzyli, że lokalny kąt skręcenia moduluje się od szczytu do doliny o 0,6 procent. Ta zmiana koreluje z fononem moiré o częstotliwości poniżej teraherca.
Ludzie od dawna wiedzieli, że przez układanie i skręcanie tych atomowo cienkich warstw można zmieniać zachowanie materiału. Nowością jest to, że dynamicznie wzmacniamy to skręcenie światłem i faktycznie obserwujemy, jak się to dzieje w czasie rzeczywistym – dodaje Jared Maxson z Cornell University
To odkrycie sugeruje, iż materiały kwantowe są znacznie bardziej dynamiczne, niż dotychczas zakładano. Możliwość kontrolowania ich właściwości za pomocą światła bez wątpienia otwiera drogę do nowych zastosowań.
Specjalistyczny sprzęt do rejestracji niewidzialnego
Zaobserwowanie tak szybkich ruchów atomowych wymagało użycia wyjątkowo zaawansowanej aparatury. Naukowcy wykorzystali technikę ultraszybkiej dyfrakcji elektronów oraz specjalny detektor EMPAD. Konwencjonalny sprzęt pomiarowy nie poradziłby sobie z tym zadaniem. Potencjalne zastosowania tego odkrycia mogą być znaczące, ponieważ możliwość dynamicznej manipulacji materiałami moiré za pomocą światła oznacza, że w przyszłości moglibyśmy zmieniać właściwości urządzeń kwantowych w czasie rzeczywistym. To trochę jak przełącznik pozwalający materiałowi funkcjonować jako nadprzewodnik w jednej chwili, a jako magnes w następnej.
Czytaj też: Ferromagnetyczny pościg, czyli co się dzieje, gdy światło wywołuje ruch bez reakcji
Badanie tworzy możliwości ultraszybkiej kontroli okresowych zniekształceń sieci moiré i lokalnego potencjału, który kształtuje ekscytony, polarony oraz zachowania napędzane korelacją. Dla elektroniki kwantowej oznacza to potencjalnie nowe rodzaje urządzeń dostrajanych optycznie, choć od laboratoryjnego odkrycia do komercyjnego zastosowania droga bywa długa.
Nie byłoby możliwości zaobserwowania tego zjawiska bez połączenia zrozumienia materiałów ze zrozumieniem wiązki elektronów. Moglibyśmy zbudować najlepszą maszynę na świecie, ale bez odpowiednich materiałów i wiedzy, jak je wytworzyć, to by się nie wydarzyło – podsumowuje Maxson
To dopiero początek nowej ścieżki badawczej. Naukowcy dysponują teraz narzędziami i wiedzą umożliwiającą badanie, jak światło może kontrolować zachowanie materiałów kwantowych. Kolejne lata mogą przynieść praktyczne zastosowania w nadprzewodnictwie, magnetyzmie czy nowych typach urządzeń elektronicznych.