В правильных сочетаниях и при определённых условиях двумерные материалы могут демонстрировать интригующие и потенциально ценные квантовые фазы, такие как сверхпроводимость и уникальные формы магнетизма. Физики и инженеры активно изучают причины их возникновения и способы управления ими.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, обнаружена ранее неизвестная особенность, которая может объяснить, как и почему возникают загадочные квантовые фазы.
Используя новый метод терагерцовой (ТГц) спектроскопии, исследователи выяснили, что крошечные стопки двумерных материалов, которые можно найти в исследовательских лабораториях по всему миру, могут естественным образом образовывать так называемые полости. Эти полости ограничивают свет и электроны в ещё более мелких пространствах, потенциально кардинально изменяя их поведение.
«Мы обнаружили скрытый уровень контроля в квантовых материалах и открыли путь к формированию взаимодействий между светом и веществом таким образом, что это может помочь нам как понять экзотические фазы материи, так и в конечном итоге использовать их для будущих квантовых технологий», — сказал Джеймс МакАйвер, доцент кафедры физики в Колумбийском университете и ведущий автор статьи.
Открытие началось в Гамбурге, когда МакАйвер был руководителем группы в Институте структуры и динамики материи имени Макса Планка (MPSD), одном из учреждений, входящих в Центр неравновесных квантовых явлений Макса Планка в Нью-Йорке.
Лаборатория МакАйвера использует свет. «Двумерные материалы с их увлекательными макроскопическими свойствами часто ведут себя как чёрные ящики. Освещая их, мы буквально проливаем свет на скрытое поведение их электронов, раскрывая детали, которые в противном случае остались бы незамеченными», — сказала Гунда Кипп, докторант MPSD, работающая в группе МакАйвера и являющаяся первым автором публикации.
Сложность заключается в том, что длины волн света, необходимые для исследования двумерных материалов, намного больше самих материалов, которые обычно меньше человеческого волоса.
Чтобы решить эту проблему несоответствия размеров, команда использовала спектроскоп размером с чип, который ограничивает терагерцевое излучение — диапазон, в котором, как считается, происходят загадочные квантовые явления — с 1 мм до всего лишь 3 микрометров. Это позволяет команде визуализировать поведение электронов в двумерных системах. Они начали эксперименты с графеном, чтобы проверить, насколько хорошо спектроскоп может измерять оптическую проводимость в хорошо изученном материале.
Они увидели неожиданные стоячие волны. «Свет может соединяться с электронами, образуя гибридные квазичастицы, состоящие из света и вещества. Эти квазичастицы движутся как волны, и при определённых условиях они могут быть ограничены, подобно стоячей волне на гитарной струне, которая производит определённую ноту», — объяснила постдокторант MPSD и соавтор первой статьи Хоуп Бретшер.
В случае гитары фиксированные концы струны определяют границы стоячей волны; удерживая пальцы на струнах, вы укорачиваете волну, на которой может вибрировать струна, меняя издаваемую ею ноту. В оптике аналогичный эффект можно достичь с помощью двух зеркал, которые удерживают свет между собой и создают ограниченную стоячую волну внутри так называемой полости. Когда материал помещается между зеркалами, отражённый свет взаимодействует с ним, потенциально изменяя его свойства.
Но зеркала могут быть необязательными. «Мы обнаружили, что собственные края материала уже действуют как зеркала», — сказала Кипп. С помощью своего ТГц-спектроскопа они наблюдали, что возбуждённые потоки электронов отражаются от краёв, образуя тип гибридной квазичастицы, состоящей из света и вещества, называемой плазмон-поляритоном.
Лаборатория МакАйвера изучала устройство, состоящее из нескольких слоёв, каждый из которых может действовать как полость, разделённая несколькими десятками нанометров. Плазмоны, которые образуются в каждом слое, могут, в свою очередь, взаимодействовать — часто сильно. «Это как соединить две гитарные струны; после соединения нота меняется», — сказал Бретшер. «В нашем случае она меняется кардинально».
Следующий вопрос заключается в том, что именно определяет частоты вибрирующих квазичастиц и насколько сильно взаимодействуют свет и материал. «Вместе с соавтором и постдокторантом MPSD Мариусом Майклом мы разработали аналитическую теорию, для которой потребовалось всего несколько геометрических параметров образца, чтобы соответствовать наблюдениям наших экспериментов», — сказала Кипп.
«С помощью нажатия одной кнопки наша теория может извлечь свойства материала и поможет нам проектировать и создавать будущие образцы для получения определённых свойств. Например, отслеживая резонансы в зависимости от плотности носителей, температуры или магнитного поля, мы можем раскрыть механизмы, управляющие различными квантовыми фазами».
Пока опубликованная работа посвящена плазмонам, но новый ТГц-спектроскоп чипового масштаба должен быть способен наблюдать другие виды квазичастиц, колеблющихся в широком спектре двумерных материалов. Команда уже работает над измерением новых образцов как в Гамбурге, так и в Нью-Йорке.
«Весь этот проект был своего рода счастливой находкой. Мы не ожидали увидеть эти эффекты полостей, но мы рады использовать их для управления явлениями в квантовых материалах в будущем», — сказал Бретшер. «И теперь, когда у нас есть техника, позволяющая их увидеть, нам интересно узнать, как они могут влиять на другие материалы и фазы».