Ученые обнаружили скрытый квантовый эффект в двумерных материалах

Стоячие волны терагерцового света удерживаются в проводящих слоях гетероструктуры ван-дер-Ваальса. Авторезонансные моды в графене (красный) и графитовом затворе (синий) гибридизируются в режиме сверхсильной связи. Автор: Brad Baxley

Исследователи из Колумбийского университета и Института структуры и динамики вещества Макса Планка обнаружили ранее неизвестное свойство двумерных материалов, которое может объяснить формирование загадочных квантовых фаз. Открытие, опубликованное в журнале Nature Physics, показывает, что тонкие стопки 2D-материалов могут естественным образом создавать «каверны» — крошечные пространства, которые удерживают свет и электроны, значительно меняя их взаимодействие.

«Мы обнаружили скрытый уровень контроля в квантовых материалах и открыли путь к формированию взаимодействий света и материи способами, которые помогут нам понять экзотические состояния материи и в конечном счете использовать их для будущих квантовых технологий», — сказал Джеймс МакАйвер, доцент физики в Колумбийском университете и ведущий автор статьи.

Для преодоления масштабного несоответствия (длины волн света значительно больше толщины материалов) исследователи разработали чиповый спектроскоп, который сжимает терагерцовое излучение с 1 миллиметра до всего 3 микрометров. Это позволило непосредственно наблюдать движение электронов в 2D-материалах.

В ходе экспериментов с графеном ученые обнаружили неожиданный эффект — отчетливые стоячие волны.

«Свет может связываться с электронами, образуя гибридные светоматериальные квазичастицы. Эти квазичастицы движутся как волны и при определенных условиях могут становиться ограниченными, подобно стоячей волне на гитарной струне, которая производит определенную ноту», — объяснила постдок MPSD и соавтор Хоуп Бретшер.

Самым удивительным оказалось то, что для создания этих «квантовых гитар» зеркала не требуются. «Мы обнаружили, что края материала сами действуют как зеркала», — сказала аспирант MPSD Гунда Кипп.

Исследователи разработали аналитическую теорию, которая с помощью всего нескольких геометрических параметров образца смогла объяснить наблюдаемые эффекты. Этот подход позволит в будущем проектировать материалы с заданными свойствами для квантовых технологий.

ИИ: Это фундаментальное открытие демонстрирует, насколько сложны и многогранны даже, казалось бы, простые системы. Возможность управлять квантовыми состояниями через геометрию материала открывает новые горизонты для создания квантовых процессоров и сенсоров следующего поколения.