Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων από το Harvard University και το Paul Scherrer Institute (PSI) στην Ελβετία κατάφερε να «παγώσει» την ταχύτατη κίνηση των ηλεκτρονίων σε κβαντικά υλικά, δημιουργώντας συνθήκες που επιτρέπουν τη σταθεροποίηση ασταθών καταστάσεων για πολύ μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα απ’ ό,τι ήταν έως τώρα εφικτό. Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Materials, ανοίγει τον δρόμο για επαναστατικές εφαρμογές στην κβαντική τεχνολογία και την οπτοηλεκτρονική.
Τα κβαντικά υλικά χαρακτηρίζονται από εξαιρετικά σύνθετες ιδιότητες που προκύπτουν όταν αυτά διεγείρονται από εξωτερικά ερεθίσματα, όπως παλμούς φωτός. Ωστόσο, αυτές οι ιδιότητες εμφανίζονται για ελάχιστα χρονικά διαστήματα – συνήθως για λίγα τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου – γεγονός που καθιστά δύσκολη τη χρήση τους σε τεχνολογικές εφαρμογές. Η ομάδα των επιστημόνων, χρησιμοποιώντας την πανίσχυρη ακτινοβολία Χ από τον επιταχυντή SwissFEL στο PSI, κατάφερε να δημιουργήσει και να μελετήσει μια μακρόβια ηλεκτρονική κατάσταση που διαρκεί περίπου χίλιες φορές περισσότερο από το συνηθισμένο.
Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα είναι το Sr14Cu24O41, γνωστό και ως cuprate ladder – ένα σχεδόν μονοδιάστατο υλικό με χαρακτηριστική δομή «σκαλοπατιών» και «αλυσίδων» που σχηματίζουν τα άτομα χαλκού και οξυγόνου. Αυτή η ιδιαίτερη γεωμετρία επιτρέπει την εστίαση σε βασικά κβαντικά φαινόμενα με μεγαλύτερη καθαρότητα. Όπως σημειώνει ο Matteo Mitrano, επικεφαλής της μελέτης και φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Harvard, το συγκεκριμένο υλικό λειτουργεί ως ένα «ιδανικό πρότυπο» για τη μελέτη γενικών κβαντικών συμπεριφορών.
Η προσέγγιση της ομάδας βασίστηκε όχι σε αλλαγές στη δομή του υλικού, αλλά σε καθαρά ηλεκτρονική παρέμβαση: ένας ακριβώς χρονισμένος παλμός laser έσπασε τη συμμετρία που κανονικά εμποδίζει τη μετακίνηση ηλεκτρικού φορτίου ανάμεσα στις αλυσίδες και τα σκαλοπάτια του υλικού. Με αυτόν τον τρόπο, επιτράπηκε η μεταφορά φορτίου χωρίς παραδοσιακή αγωγιμότητα δημιουργώντας μια νέα μετασταθή ηλεκτρονική κατάσταση. Όταν ο παλμός laser σταματά, η επικοινωνία μεταξύ των δύο μονάδων διακόπτεται, παγιδεύοντας την κατάσταση σε μια νέα ισορροπία.
Η παρακολούθηση αυτής της μετάβασης σε πραγματικό χρόνο έγινε εφικτή χάρη στους υπερφωτεινούς παλμούς ακτίνων Χ διάρκειας femtosecond του SwissFEL. Μέσω μιας προηγμένης τεχνικής που ονομάζεται tr-RIXS (χρονικά επιλυμένη συντονισμένη ανελαστική σκέδαση ακτίνων Χ), οι επιστήμονες κατάφεραν να παρατηρήσουν τις μαγνητικές, ηλεκτρικές και τροχιακές διεγέρσεις με εξαιρετική ακρίβεια, αποκαλύπτοντας συμπεριφορές που δεν είναι ορατές με άλλες μεθόδους.
Ο Elia Razzoli, υπεύθυνος του σταθμού Furka στο SwissFEL, σημείωσε ότι αυτή η τεχνολογία επιτρέπει τη στοχευμένη μελέτη συγκεκριμένων ατόμων που καθορίζουν τις φυσικές ιδιότητες των υλικών. Η Hari Padma, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Harvard και κύρια συγγραφέας της μελέτης, επισήμανε ότι η παρατήρηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων σε τόσο μικρές χρονικές κλίμακες ήταν το κλειδί για την κατανόηση αυτής της νέας μετασταθούς κατάστασης.
Η μελέτη αυτή αποτελεί το πρώτο επιστημονικό αποτέλεσμα που προέκυψε από χρήστες του νέου σταθμού Furka και σηματοδοτεί την αρχή μιας νέας εποχής για τη μελέτη κβαντικών υλικών στο SwissFEL. Το ενδιαφέρον της ομάδας του Harvard για τη συνεργασία με το PSI γεννήθηκε ακριβώς από τις προηγμένες δυνατότητες της τεχνικής tr-RIXS.
Με τις αναβαθμίσεις που έχουν ήδη πραγματοποιηθεί στο σταθμό Furka, οι επιστήμονες είναι έτοιμοι να εξερευνήσουν ακόμη πιο πολύπλοκα φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένων των δονήσεων του πλέγματος (phonons). Όπως υπογραμμίζει ο Razzoli, «αυτό το πείραμα έδειξε τι μπορούμε να κάνουμε – και τώρα μπορούμε να κάνουμε ακόμα περισσότερα».
Πέρα από την επιστημονική πρόοδο, τα αποτελέσματα έχουν μακροπρόθεσμες επιπτώσεις στην τεχνολογία. Η σταθεροποίηση μη ισορροπίας κβαντικών καταστάσεων μέσω φωτός ανοίγει δρόμους για την ανάπτυξη ταχύτατων οπτοηλεκτρονικών συσκευών, συστημάτων αποθήκευσης δεδομένων βασισμένων σε κβαντικές καταστάσεις, αλλά και τεχνολογίες αιχμής για την κβαντική επικοινωνία και την υπολογιστική φωτονική.
[via]
