Как рябь на поверхности пруда может усиливать или гасить друг друга, так и волны разных типов — включая свет, звук и атомные колебания — могут интерферировать друг с другом. На квантовом уровне этот вид интерференции используется в высокоточных датчиках и может быть применён для квантовых вычислений.
В новом [исследовании, опубликованном](https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw1800) в Science Advances, учёные из Университета Райса и их коллеги продемонстрировали сильную форму интерференции между фононами — колебаниями в структуре материала, которые представляют собой мельчайшие единицы (кванты) тепла или звука в этой системе. Явление, при котором два фонона с разным распределением частот интерферируют друг с другом, известное как резонанс Фано, оказалось на два порядка больше, чем сообщалось ранее.
«Хотя это явление хорошо изучено для таких частиц, как электроны и фотоны, интерференция между фононами изучена гораздо меньше», — сказала Кунян Чжан, бывший научный сотрудник Университета Райса и первый автор исследования. «Это упущенная возможность, поскольку фононы могут сохранять своё волновое поведение в течение длительного времени, что делает их перспективными для создания стабильных высокопроизводительных устройств».
Показав, что с фононами можно работать так же эффективно, как со светом или электронами, исследование открывает путь для нового поколения технологий на основе фононов. Прорыв команды основан на использовании двумерного металла поверх базы из [карбида кремния](https://phys.org/tags/silicon+carbide/). Используя метод, называемый конфайнмент-гетероэпитаксией, исследователи внедрили всего несколько слоёв атомов серебра между слоем графена и карбидом кремния, получив плотно связанную границу раздела с замечательными квантовыми свойствами.
«Двумерный металл инициирует и усиливает интерференцию между различными колебательными модами в карбиде кремния, достигая рекордных уровней», — сказала Чжан.
Команда исследователей изучала, как фононы взаимодействуют друг с другом, анализируя форму их сигнала в рамановской спектроскопии — методе, который измеряет колебательные моды материала. Спектр показал резко асимметричную форму линии, а в некоторых случаях показал полное падение, образуя антирезонансный паттерн, характерный для интенсивной интерференции.
Эффект оказался очень чувствительным к особенностям поверхности карбида кремния. Сравнение трёх различных завершений поверхности карбида кремния показало чёткую связь между каждой поверхностью и её уникальной формой рамановской линии. Более того, когда исследователи нанесли на поверхность одну молекулу красителя, форма спектральной линии резко изменилась.
«Эта интерференция настолько чувствительна, что может обнаружить присутствие одной молекулы», — сказала Чжан. «Это позволяет обнаруживать отдельные молекулы без меток с помощью простой и масштабируемой установки. Наши результаты открывают новый путь для использования фононов в квантовых датчиках и в технологиях обнаружения молекул следующего поколения».
Исследуя динамику эффекта при низких температурах, исследователи подтвердили, что интерференция обусловлена исключительно взаимодействием фононов, а не электронов, что является редким случаем квантовой интерференции, обусловленной только фононами. Эффект наблюдался только в конкретной системе двумерный металл/карбид кремния, использованной в исследовании, и отсутствует в обычных объёмных металлах. Это связано со специальными путями перехода и конфигурациями поверхности, которые обеспечивает атомарно тонкий слой металла.
Исследование также изучило возможность использования других двумерных металлов, таких как галлий или индий, для индуцирования подобных эффектов. Путем точной настройки химического состава этих интеркалированных слоёв исследователи могут создавать индивидуальные интерфейсы с заданными квантовыми свойствами.
«По сравнению с обычными датчиками наш метод обеспечивает высокую чувствительность без необходимости использования специальных химических меток или сложной настройки устройства», — сказал Шэнси Хуан, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии в Университете Райса и автор исследования.
«Этот подход, основанный на фононах, не только продвигает молекулярное зондирование, но и открывает захватывающие возможности в области преобразования энергии, управления температурным режимом и квантовых технологий, где контроль вибраций имеет ключевое значение».
Предоставлено [Университетом Райса](https://phys.org/partners/rice-university/)