Физики совершили прорыв в «квантовой алхимии», заменив свет экситонами
Физики приблизились к тому, что еще недавно напоминало научную фантастику или алхимию: созданию новых квантовых материалов не с помощью химических реакций, а посредством управляемых квантовых воздействий. Международная группа ученых под руководством специалистов из Института науки и технологий Окинавы (OIST) и Стэнфордского университета показала, что так называемая флоке-инженерия может быть реализована значительно эффективнее, если вместо света использовать экситоны — квазичастицы, возникающие внутри самого материала.
Флоке-инженерия основана на принципе периодического воздействия на квантовую систему. В таких условиях электронная структура материала может существенно изменяться: появляются новые энергетические зоны, а исходные свойства вещества — например, проводимость или магнитное поведение — радикально трансформируются. Теоретически это позволяет превратить обычный полупроводник в материал с экзотическими квантовыми свойствами, включая сверхпроводимость. Несмотря на то что теория флоке-физики активно развивается с 2009 года, ее практическая реализация долгое время оставалась крайне сложной задачей.
До сих пор почти все эксперименты в этой области опирались на использование интенсивного лазерного излучения. Свет служил периодическим внешним воздействием, «одевающим» электронные состояния в так называемые флоке-состояния. Однако фотоны слабо взаимодействуют с веществом, из-за чего для достижения заметного эффекта требовались экстремально высокие интенсивности и ультракороткие импульсы. Это приводило к нагреву, повреждению и даже испарению образцов, а сами эффекты существовали лишь в течение очень короткого времени.
Новый подход, предложенный исследователями, основан на использовании экситонов. Эти квазичастицы возникают в полупроводниках, когда электрон под действием света переходит из валентной зоны в зону проводимости, оставляя после себя положительно заряженную «дыру». Электрон и дыра образуют связанное состояние, обладающее собственной энергией и динамикой. Поскольку экситоны формируются из электронов самого материала и связаны с ними кулоновским взаимодействием, они взаимодействуют с кристаллической решеткой значительно сильнее, чем внешний свет.
Как поясняет профессор Кешав Дани из подразделения фемтосекундной спектроскопии OIST, именно эта сильная связь делает экситоны особенно эффективными носителями периодического воздействия. В двумерных материалах экситонные эффекты выражены особенно ярко, что позволяет достигать мощной флоке-гибридизации при значительно меньших энергетических затратах. Это открывает путь к созданию устойчивых квантовых состояний без разрушения материала.
Экспериментальные наблюдения были проведены с использованием уникальной установки временно- и углово-разрешенной фотоэмиссионной спектроскопии (TR-ARPES), разработанной в OIST. С ее помощью ученые напрямую измеряли энергетический спектр электронов в атомарно тонком полупроводнике. При сильном оптическом воздействии было зафиксировано характерное изменение дисперсии электронов: вместо одиночного максимума в центре зоны спектр приобретал форму так называемой «мексиканской шляпы», или «верблюжьей спины», что является ключевым признаком флоке-гибридизации.
Затем интенсивность светового воздействия была снижена более чем на порядок, а измерения проводились с задержкой порядка 200 фемтосекунд, что позволило отделить экситонные эффекты от прямого влияния света. В этих условиях исследователи обнаружили, что аналогичное изменение формы энергетических зон возникает за счет экситонного поля, причем эффект оказался более выраженным и устойчивым, чем при прямом оптическом возбуждении.
По словам доктора Вивека Парика, ранее для фиксации флоке-реплик, создаваемых светом, требовались десятки часов непрерывного сбора данных. В случае экситонной флоке-инженерии аналогичный, но более сильный эффект удавалось зарегистрировать всего за несколько часов. Это стало убедительным доказательством того, что флоке-эффекты могут надежно генерироваться не только фотонами, но и другими бозонными возбуждениями.
Ученые подчеркивают, что экситоны — лишь первый пример. Теоретически роль периодического квантового «движителя» могут выполнять и другие квазичастицы, такие как фононы, плазмоны или магноны, возбуждаемые механическими колебаниями, коллективным движением электронов или магнитными полями. Таким образом, исследование закладывает фундамент для практической флоке-инженерии, ориентированной на создание и прямое управление свойствами квантовых материалов.
Авторы работы отмечают, что пока речь не идет о готовых технологических решениях, однако впервые получена четкая спектральная сигнатура экситонных флоке-состояний. По словам соавтора исследования доктора Дэвида Бейкона, это означает переход от фундаментальной демонстрации принципа к первым реальным шагам в прикладной флоке-физике, которая в перспективе может изменить подход к разработке квантовых материалов и устройств нового поколения.
Результаты работы в журнале Nature Physics.