При правильном расположении двумерные материалы могут демонстрировать необычные и ценные квантовые эффекты, включая сверхпроводимость и редкие формы магнетизма. Разгадка причин появления этих феноменов и управление ими остаются важнейшей задачей для ученых-физиков и инженеров, пишет ScienceDaily.
Применяя новейший метод терагерцовой спектроскопии, группа американских физиков установила, что тонкие пленки двумерных материалов, активно используемые в лабораториях всего мира, способны естественным образом создавать микрополости. Эти крошечные структуры накладывают дополнительные ограничения на распространение света и электронов, радикально меняя их взаимодействие и поведение.
«Мы обнаружили скрытый уровень управления в квантовых материалах и открыли путь к формированию взаимодействий света и материи способами, которые могут помочь нам как понять экзотические фазы материи, так и в конечном итоге использовать их для будущих квантовых технологий», — комментирует Джеймс МакАйвер, доцент кафедры физики Колумбийского университета и ведущий автор статьи.
Двумерные материалы, обладая своими удивительными макроскопическими качествами, нередко воспринимаются как «черные ящики»: только осветив их светом, можно разглядеть скрытые законы поведения электронов, которые иначе оставались бы незаметными. Основная трудность заключается в том, что длина волны используемого света значительно превышает толщину самих материалов, которые гораздо тоньше человеческого волоса.
Решить проблему различия в размерах помогла компактная версия терагерцового спектроскопа, способная сжимать свет с начальной длиной волны порядка 1 мм до чрезвычайно малых значений — всего 3 мкм. Такой подход позволил впервые визуализировать перемещение электронов в двумерных материалах. Первоначальные тесты были проведены на графене — углеродном материале, состоящем из одного слоя атомов, для оценки его оптической проводимости. Результаты оказались неожиданными: ученые зарегистрировали четкое проявление стоячих волн.
«Когда свет взаимодействует с электронами, образуются гибридные квазичастицы, представляющие собой смесь света и материи. Эти квазичастицы распространяются как волны и при определенных условиях могут оставаться ограниченными, словно стоячая волна на натянутой гитарной струне, создающая определенную музыкальную ноту», — поясняют авторы исследования.
Ученые наблюдали, как потоки заряженных частиц отражались от граней материала, порождая особый вид гибридной квазичастицы — плазмон-поляритон. Теперь перед специалистами стоит задача разобраться, что управляет частотой этих квазичастиц и какова степень связи между ними и электромагнитным излучением. Хотя основное внимание уделяется изучению плазмонов, разработанный терагерцовый спектроскоп способен обнаружить и другие типы квазичастиц, существующие в широком диапазоне двумерных материалов. Сейчас специалисты проводят испытания новых образцов в лабораториях Гамбурга и Нью-Йорка.
Тем временем в России создали неодимовый лазер с нестандартной длиной волны.
