Дослідники з Molecular Foundry при Національній лабораторії ім. Лоуренса Берклі виявили, що низькотемпературні квантові квазічастинки, звані фазонами, у кристалічних гратках здатні спричиняти рух квазічастинок екситонів навіть у тих умовах, де будь-який рух, здавалося б, неможливий.
Про це розповідає ProIT
Відкриття у матеріалознавстві
Це відкриття розширює фундаментальні знання в матеріалознавстві та може суттєво покращити стабільність роботи квантових технологій, зокрема, використання екситонів як кубітів. При складанні і легкому повороті двох зображень з однаковими формами, такими як квадрати чи трикутники, утворюється муаровий візерунок, який виглядає як хвилеподібне зображення з брижами на поверхні. Цей оптичний ефект досягається завдяки простому повторенню та вирівнюванню.
Аналогічні ефекти спостерігаються у наноструктурах, коли дослідники накладають надтонкі шари напівпровідників, відомих як дихалькогеніди перехідних металів, які мають товщину не більше атома. Це накладення створює те, що науковці називають муаровим потенціалом – повторювані енергетичні ділянки з опуклостями та впадинами між шарами матеріалів, які можуть спричиняти незвичайну електронну та оптичну поведінку квантових частинок.
Непередбачуване рух
Досі вважалося, що ці муарові потенціали не можуть рухатися, однак команда Molecular Foundry виявила, що у накладених шарах дихалькогенідів перехідних металів можливий рух навіть за надзвичайно низьких температур. Це відкриття обіцяє спростити управління муаровими потенціалами, що у свою чергу може зменшити декогеренцію в кубітах та датчиках. Декогеренція відбувається, коли втрачається квантовий стан через інтерференцію.
Збудження шарів цих надтонких матеріалів за допомогою зеленого імпульсного лазера призводить до переходу електронів у збуджений стан, залишаючи за собою вільне місце з позитивним зарядом, що утворює пари електрон-вільне місце, відомі як екситони. Зазвичай екситони формуються в одношарових матеріалах, проте у двошарових системах вони розділяються: електрони переходять у шар дисульфіду вольфраму, а позитивно заряджені вільні місця залишаються у шарі диселеніду вольфраму.
«Для того, щоб цей потенціал муара рухався, потрібно зовсім небагато енергії, тому муар рухається так само, як штормове море. Ми показали, що навіть за дуже низьких температур енергія та інформація не локалізовані так, як можна було б очікувати», — пояснюють дослідники.
Спостереження за рухом екситонів проводилися Йоханнесом Лішнером та Індраджитом Майті з Імперського коледжу Лондона, які за допомогою моделювання отримали моментальні знімки муарового потенціалу. Вони дійшли висновку, що сам потенціал муару має рухатися.
Вчені вважають, що низькотемпературні квазічастинки фазони дозволяють міжшаровим екситонам рухатися, навіть коли вони заблоковані. Фазони представляють собою квант енергії в середині кристалічної гратки і ведуть себе подібно до частинки. За словами Антоніо Россі, керівника дослідження, рух міжшарових екситонів у муаровому потенціалі залежить від кута та температури. Максимальний рух спостерігається, коли шари дихалькогенідів перехідних металів паралельні, а коли температура наближається до нуля, рух міжшарових екситонів також зменшується, але не зупиняється повністю.
Результати дослідження опубліковані у журналі ACS Nano.
