Двумерные материалы, при определённом расположении атомов, способны демонстрировать необычные и ценные квантовые эффекты, такие как сверхпроводимость и экзотические формы магнетизма. Понимание происхождения этих явлений и способов управления ими остаётся одной из ключевых задач для физиков и инженеров. Недавнее исследование, опубликованное в Nature Physics, выявило ранее неизвестное свойство, которое может объяснить формирование и эволюцию этих загадочных квантовых фаз.
Применяя разработанный метод терагерцовой (ТГц) спектроскопии, учёные обнаружили, что тонкие слои двумерных материалов – повсеместно используемые в лабораториях – способны естественным образом формировать так называемые резонаторы. Эти микроскопические пространства удерживают свет и электроны в ещё более компактных областях, что кардинально меняет их взаимодействие и поведение.
«Нам удалось раскрыть скрытый уровень контроля в квантовых материалах и проложить путь к формированию свето-материальных взаимодействий таким образом, который может помочь как в понимании экзотических фаз материи, так и в их дальнейшем использовании для будущих квантовых технологий», – отметил Джеймс Макайвер, доцент физики в Колумбийском университете и ведущий автор исследования.
Работа берёт своё начало в Гамбурге, где Макайвер возглавлял исследовательскую группу в Институте Макса Планка по структуре и динамике материи (MPSD). Этот институт является частью научно-исследовательского центра Макса Планка и Нью-Йорка по неравновесным квантовым явлениям – результатом сотрудничества MPSD, Колумбийского университета, Института Флэтайрон и Корнеллского университета. Специалисты центра изучают, как стабильные физические системы реагируют на отклонения от равновесия.
Команда Макайвера исследует эти вопросы с помощью света. «Двумерные материалы, обладая завораживающими макроскопическими свойствами, часто ведут себя как чёрные ящики. Направляя на них свет, мы буквально проливаем свет на скрытое поведение их электронов, выявляя детали, которые иначе остались бы незамеченными», – объяснила Гунда Кипп, аспирантка MPSD и первый автор статьи. Однако одна из сложностей заключается в том, что длины волн света, необходимые для зондирования двумерных материалов, значительно превышают размеры самих материалов, которые тоньше человеческого волоса.
Для преодоления этого масштабного несоответствия исследователи разработали чип-размерный спектроскоп, который сжимает терагерцовое излучение – диапазон, где проявляются многие квантовые эффекты – примерно с 1 миллиметра до всего лишь 3 микрометров. Такая компактная конструкция позволила напрямую наблюдать за движением электронов внутри двумерных материалов. Первоначально они проверили свой подход на графене, хорошо известной форме углерода, измеряя его оптическую проводимость.
Результат оказался неожиданным: учёные обнаружили отчётливые стоячие волны.
«Свет способен связываться с электронами, образуя гибридные свето-материальные квазичастицы. Эти квазичастицы движутся как волны и, при определённых условиях, могут быть ограничены в пространстве, подобно стоячей волне на гитарной струне, которая производит определённую ноту», – пояснила Хоуп Бретшер, научный сотрудник MPSD и соавтор статьи.
На гитаре закреплённые концы струны определяют место формирования волны. Прижимание струны пальцем укорачивает волну, изменяя высоту ноты. В оптике аналогичный процесс происходит, когда два зеркала улавливают свет между собой, создавая стоячую волну внутри того, что учёные называют резонатором. Если материал помещён внутрь такого резонатора, захваченный свет может многократно взаимодействовать с ним, изменяя его электронные свойства.
Однако исследователи обнаружили, что зеркала могут быть вовсе не нужны. «Мы выяснили, что собственные края материала уже действуют как зеркала», – рассказала Кипп. С помощью своего ТГц-спектроскопа они заметили, что возбуждённые потоки электронов отражаются от краёв, образуя гибридные свето-материальные квазичастицы, называемые плазмон-поляритонами.
Лаборатория Макайвера исследовала устройство, состоящее из множества слоёв, каждый из которых может функционировать как резонатор, разделённый несколькими десятками нанометров. Плазмоны, образующиеся в каждом слое, в свою очередь, могут взаимодействовать – зачастую очень сильно. «Это похоже на соединение двух гитарных струн; как только они связаны, нота меняется», – объяснила Бретшер. «В нашем случае она меняется кардинально».
Следующим шагом стало понимание того, что определяет частоты этих квазичастиц и насколько тесно свет и материя связаны между собой. «Совместно с соавтором и научным сотрудником MPSD Мариосом Майклом мы разработали аналитическую теорию, которой требовалось лишь несколько геометрических параметров образца для соответствия результатам наших экспериментов», – сообщила Кипп. «Одним нажатием кнопки наша теория способна извлекать свойства материала и поможет нам проектировать и адаптировать будущие образцы для получения заданных характеристик. Например, отслеживая резонансы в зависимости от плотности носителей заряда, температуры или магнитного поля, мы можем раскрыть механизмы, управляющие различными квантовыми фазами».
Хотя текущее исследование сосредоточено на плазмонах, новый чип-масштабный ТГц-спектроскоп способен обнаруживать и другие типы квазичастиц, осциллирующих во множестве различных двумерных материалов. Команда уже проводит испытания новых образцов как в Гамбурге, так и в Нью-Йорке.
«Весь этот проект стал отчасти случайным открытием. Мы не ожидали увидеть эти резонаторные эффекты, но мы очень рады использовать их для манипулирования явлениями в квантовых материалах в будущем», – подытожила Бретшер. «И теперь, когда у нас есть метод для их наблюдения, нам интересно узнать, как они могут влиять на другие материалы и фазы».
