Problem z tradycyjną inżynierią Floquet
Od ponad dziesięciu lat znana jest koncepcja inżynierii Floquet. Opiera się ona na dość prostym pomyśle: jeśli oświetlisz materiał odpowiednim światłem, możesz zmienić jego właściwości elektronowe. Brzmi intrygująco, lecz diabeł tkwi w szczegółach, a konkretnie w intensywności wymaganego oświetlenia. Klasyczna metoda wymagała ekstremalnie silnych impulsów laserowych działających w skali femtosekund. Takie poziomy energii często po prostu odparowywały badane próbki. Uzyskane efekty były ulotne i trudne do kontroli, co skutecznie blokowało praktyczne zastosowania. Jak zauważa jeden z autorów badań, Xing Zhu:
Do tej pory inżynieria Floquet była synonimem napędów świetlnych. Jednak choć układy te były kluczowe dla udowodnienia istnienia efektów Floquet, światło słabo sprzęga się z materią, co oznacza, że do osiągnięcia hybrydyzacji wymagane są bardzo wysokie częstotliwości
Czytaj też: Symulacje kwantowe na laptopach. Fizycy upraszczają skomplikowane obliczenia
Zebranie danych przy użyciu światła zajmowało dziesiątki godzin, a materiały często nie przetrwały tego procesu. Potrzebny był zupełnie inny napęd. Rozwiązaniem okazały się ekscytony, czyli kwazicząstki powstające, gdy elektron i odpowiadająca mu dziura (czyli brak elektronu) łączą się w parę. Można o nich myśleć jak o mikroskopijnych dipolach elektrycznych drgających wewnątrz materiału. Ich zasadnicza przewaga nad fotonami z zewnątrz jest prosta: ekscytony powstają z elektronów samego materiału, więc oddziałują z nim znacznie silniej.
Ekscytony znacznie silniej sprzęgają się z materiałem niż fotony, ze względu na silne oddziaływanie Coulomba, szczególnie w materiałach dwuwymiarowych. Dzięki temu mogą one osiągać silne efekty Floquet, unikając wyzwań związanych ze światłem – tłumaczy Keshav Dani z OIST
Meksykański kapelusz jako dowód sukcesu
Po czym poznali, że metoda działa? Kluczowym sygnałem było charakterystyczne spłaszczenie piku energii elektronów. W normalnych warunkach poziomy energii w atomowo cienkich półprzewodnikach tworzą na wykresie gładką krzywą. Gdy zachodzi hybrydyzacja Floquet, szczyt tej krzywej spłaszcza się, przybierając kształt przypominający meksykański kapelusz – sombrero. To spłaszczenie jest właśnie widocznym śladem drugiej, nałożonej wstęgi energetycznej. Gianluca Stefanucci tłumaczy, dlaczego podejście z ekscytonami jest tak efektywne:
Ekscytony przenoszą samooscylującą energię, nadaną przez początkowe wzbudzenie, która oddziałuje na otaczające elektrony w materiale z regulowanymi częstotliwościami. Potrzeba znacznie mniej światła, aby stworzyć populację ekscytonów wystarczająco gęstą, by służyły jako efektywny napęd okresowy
W ogólnym rozrachunku dokonane odkrycie otwiera drogę do bardziej praktycznego wykorzystania fizyki Floquet. Naukowcy zyskują narzędzie do kształtowania materiałów na żądanie. Taką przynajmniej mają nadzieję. Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej? Materiały o niespotykanych właściwościach optycznych? To wciąż odległe cele, choć nowa metoda przybliża nas do ich realizacji. Co ciekawe, teoria sugeruje, jakoby podobne efekty można było osiągnąć, wykorzystując inne bozony, jak fonony (wibracje sieci krystalicznej), plazmony (zbiorowe oscylacje elektronów) czy magnony (fale magnetyczne). Każdy z nich oferowałby inną drogę kontroli nad właściwościami materiału. Dotychczasowe ustalenia zostały opublikowane na łamach Nature Physics.