Kvantová alchýmia: Vedci menia vlastnosti materiálov pomocou "excitónov"

KĽÚČOVÉ ZISTENIA

• Nová metóda využíva kvázičastice excitóny namiesto deštruktívnych laserov.

• Proces je energeticky efektívnejší a chráni materiál pred odparením.

• Objav otvára cestu k inžinierstvu kvantových materiálov na želanie.

Svet kvantovej fyziky stojí na prahu revolúcie, ktorá pripomína stredovekú alchýmiu, no tentoraz s reálnymi výsledkami. Medzinárodný tím vedcov z Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) a Stanfordskej univerzity úspešne demonštroval metódu, ktorá dokáže meniť vlastnosti materiálov bez potreby extrémnych energií.

Kľúčom k tomuto úspechu sú excitóny, fascinujúce kvázičastice, ktoré by mohli nahradiť doteraz používané vysokoenergetické lasery. Tento objav rieši jeden z najväčších problémov v oblasti takzvaného Floquetovho inžinierstva.

Floquetovo inžinierstvo je disciplína, ktorá sa snaží pomocou periodických impulzov vnútiť materiálom nové, často exotické vlastnosti. Cieľom je napríklad dočasne zmeniť bežný polovodič na supravodič, ktorý vedie elektrinu bez odporu.

Tradične sa na tento účel používali silné svetelné impulzy, ktoré "triasli" elektrónmi v materiáli a nútili ich prejsť do nových energetických stavov. Problémom však bolo, že svetlo interaguje s hmotou len veľmi slabo. Na dosiahnutie požadovaného efektu vedci museli používať lasery s obrovskou intenzitou a frekvenciou v rádoch femtosekúnd.

Takýto prístup pripomínal snahu opraviť hodinky kladivom. Vysoká energia často viedla k prehriatiu vzorky a v extrémnych prípadoch až k jej úplnému odpareniu. Praktické využitie takejto technológie mimo prísne kontrolovaných laboratórnych podmienok bolo preto takmer nemožné.

Riešenie, ktoré priniesol tím profesora Keshava Daniho, je elegantné vo svojej podstate. Namiesto hrubej sily externého svetla využili vedci vnútorné zdroje samotného materiálu. Excitóny sú páry tvorené elektrónom a takzvanou "dierou", ktorá vznikne po jeho vybudení na vyššiu energetickú hladinu.

Keďže sú tieto častice zrodené priamo z hmoty polovodiča, ich vzájomná väzba a interakcia s okolím je prostredníctvom Coulombovej sily oveľa intenzívnejšia. Experimentálne overenie tejto teórie si vyžadovalo použitie najmodernejšej techniky.

Výskumníci použili pokročilú časovo a uhlovo rozlíšenú fotoelektrónovú spektroskopiu (TR-ARPES), aby mohli sledovať tanec elektrónov v reálnom čase. Pri pokusoch s dvojrozmerným polovodičom WS2 najprv použili klasickú metódu so silným svetlom na potvrdenie základných princípov.

Následne však znížili intenzitu budiaceho impulzu o viac ako jeden rád a zamerali sa na sledovanie excitónov. Výsledky boli ohromujúce a prekonali očakávania. Kým pri použití čistého svetla trvalo získanie jasných dát desiatky hodín meraní, pri využití excitónov stačili na dosiahnutie rovnakého efektu len približne dve hodiny.

Navyše, riziko poškodenia vzorky bolo minimalizované, keďže proces prebiehal pri podstatne nižších energiách. Tento úspech dokazuje, že excitóny môžu fungovať ako efektívny sprostredkovateľ zmien v materiáli. Dôsledky tohto objavu siahajú ďaleko za hranice súčasnej elektroniky.

Úspešné využitie excitónov otvára dvere pre použitie aj iných bozónov, ako sú fonóny alebo magnóny. To by mohlo viesť k vývoju úplne nových typov kvantových senzorov a zariadení. Predstavte si elektroniku, ktorá dokáže meniť svoje vlastnosti – z izolantu na vodič a späť – v zlomku sekundy a bez prehrievania.

PREČO JE TO DÔLEŽITÉ

Objav umožňuje bezpečne a efektívne meniť vlastnosti materiálov na kvantovej úrovni pre budúcu elektroniku.

^{Zdroj: sciencedaily.com foto: depositphotos.com}