Zapewne – podobnie jak ja – pomyśleliście o bozonie Higgsa, czyli pojęciu z zakresu fizyki cząstek elementarnych. W tym przypadku chodzi natomiast o jego matematyczny odpowiednik występujący w strukturach materiałowych. Zjawisko to wiąże się z kolektywnymi drganiami atomów, które mogą prowadzić do zmian symetrii kryształu oraz jego właściwości elektronicznych. Przez wiele lat tryb Higgsa był widywany jedynie w wybranych układach fizycznych, między innymi w nadprzewodnikach. Nigdy wcześniej nie udało się jednak potwierdzić jego obecności w półprzewodniku.
Czytaj też: Karbon dostał nanotechnologiczną zbroję. Lotnictwo kocha takie materiały z ambicjami
Tym razem uczeni działali na dwuwymiarowych kryształach perowskitu halogenkowego metalu, czyli materiału uznawanego za jednego z najważniejszych kandydatów do budowy nowej generacji ogniw słonecznych. Perowskity od lat budzą ogromne zainteresowanie naukowców ze względu na wysoką skuteczność absorpcji światła oraz możliwość stosunkowo taniej produkcji. Znajdują się również w centrum badań nad nowoczesnymi czujnikami i urządzeniami kwantowymi.
Kluczowym elementem eksperymentu było wykorzystanie ultrakrótkich impulsów laserowych. Kiedy badacze skierowali je na kryształ, zaobserwowali nietypowe, zsynchronizowane drgania niewielkich grup atomów. Nie były to zwykłe fonony, czyli znane fizykom drgania sieci krystalicznej. Drgania te wpływały bezpośrednio na symetrię całej struktury materiału, prowadząc do pojawienia się właśnie trybu Higgsa.
Najbardziej zaskakujący okazał się wpływ całego zjawiska na przerwę energetyczną półprzewodnika. Mówimy o parametrze określającym to, jakie długości fal światła materiał jest w stanie pochłonąć i zamienić na energię elektryczną. W praktyce od wielkości przerwy energetycznej zależy wydajność ogniwa słonecznego. Naukowcy zauważyli, że pod wpływem obserwowanych drgań przerwa energetyczna zaczynała bardzo szybko i cyklicznie rosnąć oraz maleć. Innymi słowy, właściwości optyczne materiału zmieniały się w czasie rzeczywistym.
Według badaczy oznacza to możliwość dynamicznego sterowania zachowaniem półprzewodników za pomocą światła. Zamiast projektować materiały o stałych właściwościach, przyszłe technologie mogłyby wykorzystywać kryształy, których parametry są regulowane niemal natychmiast poprzez odpowiednio dobrane impulsy laserowe. Takie rozwiązanie mogłoby znaleźć zastosowanie zarówno w fotowoltaice, jak i w ultraszybkiej elektronice optycznej.
Czytaj też: Cyfrowy supermózg poznał już prawa fizyki. Uczy się szybciej niż jakikolwiek naukowiec
Niespodzianki na tym się nie skończyły, ponieważ autorzy badań stwierdzili, że światło może wprowadzać materiał w stan, którego nie da się uzyskać za pomocą zwykłego ogrzewania. Oznacza to, iż pobudzanie kryształów światłem otwiera zupełnie nową przestrzeń badawczą, pozwalającą tworzyć egzotyczne stany skupienia materii niedostępne przy tradycyjnych metodach modyfikowania materiałów. Naukowcy podkreślają, że możliwość kontrolowania zmian strukturalnych i elektronicznych w ultrakrótkich skalach czasowych może doprowadzić do powstania nowej klasy przełączników optycznych wykorzystywanych w mikroelektronice i technologiach kwantowych. Równie interesująca jest perspektywa stabilizowania faz materiałów o niższych przerwach energetycznych, co mogłoby przełożyć się na skuteczniejsze pozyskiwanie energii słonecznej. Kluczowy wniosek jest moim zdaniem następujący: światło może nie tylko dostarczać energii materiałom, lecz również aktywnie kształtować ich strukturę i właściwości.
