Учёные нашли более безопасный способ создания квантовых материалов с помощью экситонов

Международная группа учёных открыла новый, более эффективный способ управления свойствами квантовых материалов, используя не мощные лазеры, а экситоны. Это открытие может значительно упростить создание и контроль передовых материалов для квантовых устройств.

Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) и Стэнфордского университета продемонстрировали, что эффекты Флоке — временное изменение свойств материала под периодическим воздействием — можно достичь с помощью экситонов. Эти квазичастицы, возникающие в полупроводниках, взаимодействуют с материалом гораздо сильнее, чем внешний свет, что позволяет добиваться выраженных эффектов при гораздо меньших энергиях, сводя к минимуму риск повреждения материала. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics.

Экситоны гораздо сильнее связаны с материалом, чем фотоны, благодаря сильному кулоновскому взаимодействию, особенно в 2D-материалах, — говорит профессор Кешав Дани из OIST. — Таким образом, они могут вызывать сильные эффекты Флоке, избегая проблем, связанных со светом. У нас появился новый потенциальный путь к созданию экзотических квантовых устройств и материалов.

Традиционные методы флоке-инженерии требуют применения чрезвычайно интенсивного света, который работает на фемтосекундных масштабах и может разрушить материал. В новом эксперименте учёные использовали атомарно тонкий полупроводник. Сначала они применили сильный оптический импульс, чтобы наблюдать прямое изменение электронной зонной структуры. Затем интенсивность света снизили более чем на порядок, а измерения провели с задержкой в 200 фемтосекунд, что позволило выделить вклад экситонов.

Эксперименты говорили сами за себя, — отмечает доктор Вивек Парик, бывший аспирант OIST. — Нам потребовались десятки часов сбора данных, чтобы наблюдать реплики Флоке с помощью света, но всего около двух часов — для экситонных эффектов, и с гораздо более сильным результатом.

Это открытие расширяет инструментарий флоке-инженерии, показывая, что аналогичные эффекты могут быть достигнуты с использованием других бозонных частиц, таких как фононы, плазмоны или магноны. Это важный шаг к практическому созданию и контролю квантовых материалов с заданными свойствами.

Мы открыли ворота для прикладной физики Флоке для широкого спектра бозонов, — заключает соавтор исследования доктор Дэвид Бэкон. — Это очень захватывающе, учитывая её огромный потенциал для создания и прямого управления квантовыми материалами. У нас пока нет готового рецепта, но теперь у нас есть необходимый спектральный сигнал для первых практических шагов.

Интересный факт: концепция флоке-инженерии, позволяющая «перепрограммировать» материалы с помощью периодических воздействий, была впервые предложена в 2009 году, но её экспериментальная реализация долгое время оставалась сложной задачей из-за необходимости в экстремально мощных источниках света.