Обнаружение исключительных характеристик двумерных материалов с помощью терагерцевой спектроскопии создает новые перспективы для квантовых технологий.
При правильном размещении двумерные материалы могут проявлять удивительные и ценные квантовые эффекты, такие как сверхпроводимость и редкие виды магнетизма. Понимание механизмов появления этих явлений и управление ими остается важнейшей задачей для физиков и инженеров, отмечает ScienceDaily.
Используя современный метод терагерцевой спектроскопии, группа американских ученых выяснила, что тонкие пленки двумерных материалов, активно используемые в лабораториях по всему миру, могут естественным образом формировать микроструктуры. Эти миниатюрные образования накладывают дополнительные ограничения на распространение света и электронов, кардинально изменяя их взаимодействие и поведение.
«Мы выявили скрытый уровень управления в квантовых материалах и открыли возможности для формирования взаимодействий света и материи такими способами, которые могут помочь нам как понять экзотические фазы материи, так и в конечном итоге воспользоваться ими в будущих квантовых технологиях», — комментирует Джеймс МакАйвер, доцент кафедры физики Колумбийского университета и ведущий автор статьи.
Двумерные материалы, обладая своими удивительными макроскопическими свойствами, часто рассматриваются как «черные ящики»: только при освещении их светом можно увидеть скрытые закономерности поведения электронов, которые иначе оставались бы незамеченными. Основная трудность состоит в том, что длина волны используемого света значительно превышает толщину самих материалов, которые гораздо тоньше человеческого волоса.
Для решения проблемы различия в размерах была использована компактная версия терагерцевого спектроскопа, способная сжимать свет с начальной длиной волны около 1 мм до экстремально малых значений — всего 3 мкм. Такой подход позволил впервые визуализировать движение электронов в двумерных материалах. Первоначальные эксперименты 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 вступает в взаимодействие с электронами, возникают гибридные квазичастицы, представляющие собой комбинацию света и материи. Эти квазичастицы распространяются как волны и при определенных условиях могут оставаться ограниченными, как стоячая волна на натянутой гитарной струне, создающая определенную музыкальную ноту», — поясняют авторы исследования.
Ученые наблюдали, как потоки заряженных частиц отражались от краев материала, создавая особый тип гибридной квазичастицы — плазмон-поляритон. Теперь перед специалистами стоит задача выяснить, что регулирует частоту этих квазичастиц и какова степень связи между ними и электромагнитным излучением. Несмотря на то что основное внимание уделяется изучению плазмонов, разработанный терагерцовый спектроскоп может выявить и другие типы квазичастиц, существующих в широком диапазоне двумерных материалов. В настоящее время специалисты проводят испытания новых образцов в лабораториях Гамбурга и Нью-Йорка.
Тем временем в России был создан неодимовый лазер с нетрадиционной длиной волны.
Фото: hi-tech.mail.ru