Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν έναν νέο μηχανισμό κβαντικού ελέγχου στα διδιάστατα υλικά
Μια τυχαία αλλά εντυπωσιακή ανακάλυψη από ερευνητές του Columbia University φαίνεται πως ανοίγει νέους δρόμους για την κβαντική τεχνολογία. Οι επιστήμονες εντόπισαν ότι τα διδιάστατα (2D) υλικά μπορούν να δημιουργούν από μόνα τους μικροσκοπικές κοιλότητες που παγιδεύουν φως και ηλεκτρόνια, αλλάζοντας ριζικά τη συμπεριφορά τους σε κβαντικό επίπεδο.
Το εύρημα αυτό, που δημοσιεύτηκε στο Nature Physics, θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για τη σχεδίαση νέων υλικών και συσκευών που ελέγχουν το φως και την ύλη με πρωτοφανή ακρίβεια.
Οι ερευνητές παρατήρησαν το φαινόμενο χρησιμοποιώντας ένα νέο είδος φασματοσκοπίας τεραχέρτζ (THz), μια τεχνική που τους επέτρεψε να δουν φαινόμενα που μέχρι σήμερα κρύβονταν από το μάτι της επιστήμης. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, ανακάλυψαν ότι λεπτές στοίβες από 2D υλικά, όπως το γραφένιο, σχηματίζουν φυσικά μικροσκοπικές κοιλότητες φωτός. Σε αυτές τις κοιλότητες, τα φωτόνια και τα ηλεκτρόνια εγκλωβίζονται και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με τρόπο που αλλάζει δραστικά τις ιδιότητές τους.
«Ανακαλύψαμε ένα κρυφό επίπεδο ελέγχου στα κβαντικά υλικά», εξηγεί ο James McIver, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Columbia και επικεφαλής της μελέτης. «Αυτό μας δίνει τη δυνατότητα να διαμορφώσουμε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ύλης με τρόπους που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην κατανόηση και αξιοποίηση των πιο εξωτικών κβαντικών φάσεων».
Η έρευνα έχει τις ρίζες της στο Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), όπου ο McIver ηγήθηκε μιας ομάδας στο πλαίσιο του Max Planck–New York Center on Nonequilibrium Quantum Phenomena. Η διεθνής αυτή συνεργασία μεταξύ MPSD, Columbia, Flatiron Institute και Cornell University επικεντρώνεται στη μελέτη του πώς τα φυσικά συστήματα αντιδρούν όταν βρίσκονται εκτός ισορροπίας.
Η Gunda Kipp, υποψήφια διδάκτορας και πρώτη συγγραφέας της δημοσίευσης, εξηγεί πως τα διδιάστατα υλικά μοιάζουν με «μαύρα κουτιά»: έχουν μοναδικές μακροσκοπικές ιδιότητες, αλλά η μικροσκοπική τους λειτουργία παραμένει ασαφής.
Όταν ρίχνουμε φως πάνω τους, κυριολεκτικά φωτίζουμε τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων τους.
Το μεγάλο εμπόδιο στη μελέτη των 2D υλικών είναι η κλίμακα. Οι δομές αυτές είναι λεπτότερες από μια ανθρώπινη τρίχα, ενώ τα μήκη κύματος του φωτός που χρειάζονται για να τις αναλύσουμε είναι πολύ μεγαλύτερα. Για να ξεπεράσουν αυτή την ασυμβατότητα, οι ερευνητές σχεδίασαν έναν φασματογράφο μεγέθους τσιπ που μπορεί να συμπιέσει την ακτινοβολία τεραχέρτζ – με μήκος κύματος περίπου 1 χιλιοστό – σε μόλις 3 μικρόμετρα.
Αυτή η μικρογραφημένη συσκευή επέτρεψε στους επιστήμονες να δουν πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια μέσα στα 2D υλικά σε πραγματικό χρόνο. Κατά τις πρώτες δοκιμές τους με γραφένιο, παρατήρησαν κάτι απροσδόκητο: σταθερά κύματα φωτός και ύλης, χωρίς να χρειάζονται καθόλου καθρέφτες για να τα παγιδεύσουν.
«Ανακαλύψαμε ότι τα ίδια τα άκρα του υλικού λειτουργούν σαν καθρέφτες», λέει η Kipp. Αντί να χρειάζονται οπτικά όρια όπως στις παραδοσιακές οπτικές κοιλότητες, το φαινόμενο προέκυπτε φυσικά μέσα στο ίδιο το υλικό. Αυτή η συμπεριφορά γέννησε υβριδικά σωματίδια που συνδυάζουν χαρακτηριστικά φωτονίων και ηλεκτρονίων, γνωστά ως πλασμονικά πολαριτόνια.
Η μεταδιδακτορική ερευνήτρια Hope Bretscher, συν-συγγραφέας της μελέτης, εξηγεί το φαινόμενο με μια απλή αναλογία:
Φανταστείτε μια χορδή κιθάρας που πάλλεται μεταξύ δύο σταθερών σημείων. Το κύμα που δημιουργείται είναι σταθερό και παράγει μια συγκεκριμένη νότα. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει εδώ, αλλά με κύματα φωτός και ηλεκτρονίων.
Σε συστήματα που αποτελούνται από πολλαπλές στρώσεις, οι «χορδές» αυτές μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Όταν δύο κοιλότητες συνδέονται, το αποτέλεσμα αλλάζει δραματικά – όπως όταν συντονίζονται δύο μουσικά όργανα.
Για να κατανοήσουν καλύτερα το φαινόμενο, οι ερευνητές ανέπτυξαν μαζί με τον Marios Michael, μεταδιδακτορικό συνεργάτη του MPSD, ένα θεωρητικό μοντέλο που μπορεί να εξηγήσει τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιώντας ελάχιστες παραμέτρους. «Με ένα απλό πάτημα ενός κουμπιού, μπορούμε να εξάγουμε τις ιδιότητες ενός υλικού και να σχεδιάσουμε δείγματα με προσαρμοσμένες κβαντικές συμπεριφορές», εξηγεί η Kipp.
Η μέθοδος αυτή θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα φαινόμενα όπως η υπεραγωγιμότητα ή ο κβαντικός μαγνητισμός, παρακολουθώντας πώς αλλάζουν οι συντονισμοί ανάλογα με τη θερμοκρασία, την πυκνότητα ή το μαγνητικό πεδίο.
Το πιο εντυπωσιακό ίσως στοιχείο της μελέτης είναι ότι η ανακάλυψη προέκυψε τυχαία. «Δεν περιμέναμε να δούμε αυτά τα φαινόμενα κοιλότητας», παραδέχεται η Bretscher. «Τώρα όμως που τα εντοπίσαμε, μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε για να χειριστούμε τα φαινόμενα των κβαντικών υλικών με τρόπους που μέχρι χθες θεωρούσαμε αδύνατους».
Η ομάδα ήδη δοκιμάζει νέα δείγματα τόσο στο Αμβούργο όσο και στη Νέα Υόρκη, με σκοπό να διερευνήσει πώς αυτός ο «κρυφός μηχανισμός» μπορεί να εμφανίζεται και σε άλλα υλικά. Αν όλα πάνε όπως προβλέπουν, η ανακάλυψη αυτή ίσως αλλάξει ριζικά τον τρόπο που σχεδιάζουμε και ελέγχουμε την κβαντική ύλη, ανοίγοντας το δρόμο για μια νέα γενιά οπτικοηλεκτρονικών και κβαντικών τεχνολογιών.
[source]
