Квантовая алхимия: физики создают новые материалы при помощи экситонов

Представьте, что можно превратить обычный полупроводник в сверхпроводник, просто воздействуя на него определенным образом. Это не фантастика, а целая области физики под названием инженерия Флоке.

Светлана ЛевченкоАвтор новостей

Идея заключается в том, что периодическое воздействие — например, свет — способно менять электронную структуру материала, а вместе с ней — и его фундаментальные свойства. Однако до сих пор этот подход упирался в серьезное ограничение: для достижения эффекта Флоке требовалась настолько высокая интенсивность света, что материал, на который он воздействовал, буквально испарялся. Международная команда физиков из Окинавского института науки и технологий (OIST) и Стэнфордского университета продемонстрировала альтернативный путь, который оказался эффективным.

Вместо фотонов ученые использовали экситоны — квазичастицы, возникающие в полупроводниках, когда электрон поглощает энергию и переходит на более высокий уровень, оставляя после себя «дырку» с положительным зарядом. Эта пара электрон-дырка ведет себя как единое целое и несет в себе колебательную энергию, которая воздействует на окружающие электроны.

«Экситоны связываются с материалом гораздо сильнее, чем фотоны, благодаря мощному кулоновскому взаимодействию, особенно в двумерных материалах, — объясняет профессор Кешав Дани из OIST. — Поэтому они позволяют достичь выраженного эффекта Флоке при этом не вызывая тех проблем, которые возникали при воздействии на материал света. Это значит, что мы сможем создавать экзотические квантовые устройства и материалы».

Принцип флокетовской физики можно объяснить на примере детских качелей: периодические толчки поднимают качели все выше, хотя само движение остается колебательным. В квантовом мире периодическое воздействие смещает разрешенные энергетические уровни электронов, создавая гибридные состояния с новыми свойствами. Как только воздействие прекращается, электроны возвращаются в исходное состояние — но именно во время воздействия материал демонстрирует совершенно иное поведение.

Эксперименты показали значительную разницу в эффективности. «Нам потребовались десятки часов сбора данных, чтобы наблюдать эффекты Флоке под воздействием света, но лишь около двух часов — чтобы увидеть экситонный флокетовский эффект, причем гораздо более выраженный», — рассказывает соавтор исследования, доктор Вивек Парик.

У этого открытия — значительные перспективы практического применения. Экситонная инженерия Флоке требует значительно меньших энергий, чем световая. Более того, аналогичные эффекты теоретически можно получить с помощью других квазичастиц: фононов (акустические колебания), плазмонов (коллективные колебания электронов) и магнонов (магнитные возбуждения).

«Это очень воодушевляет, особенно если учесть потенциал новой технологии для создания и прямого управления квантовыми материалами, — говорит доктор Дэвид Бэкон, соавтор работы. — Как их делать мы пока что не знаем, но у нас уже есть спектральная сигнатура, необходимая для первых практических шагов».

Ранее физики создали «квантовый провод», по которому масса и энергия передаются без трения и потерь.

• Физика

Поделиться