Представьте себе, что обычный полупроводник можно преобразовать в сверхпроводник, просто подвергнув его определённому воздействию. Это не выдумка, а целая область физики, получившая название инженерия Флоке.
Суть заключается в том, что периодическое воздействие — например, свет — может изменять электронную структуру материала, а вместе с ней и его основные характеристики. Однако до недавнего времени этот метод сталкивался с серьёзным ограничением: для достижения эффекта Флоке требовалась такая высокая интенсивность света, что материал, подвергшийся воздействию, буквально испарялся. Международная группа физиков из Окинавского института науки и технологий и Стэнфордского университета продемонстрировала альтернативный путь, который оказался успешным.
Вместо фотонов исследователи использовали экситоны — квазичастицы, которые возникают в полупроводниках, когда электрон поглощает энергию и переходит на более высокий уровень, оставляя после себя «дырку» с положительным зарядом. Эта пара электрон-дырка действует как единое целое и обладает колебательной энергией, влияющей на окружающие электроны.
«Экситоны связываются с материалом гораздо сильнее, чем фотоны, благодаря мощному кулоновскому взаимодействию, особенно в двумерных материалах, — поясняет профессор Кешав Дани из Окинавского института науки и технологий. — Поэтому они позволяют достичь выраженного эффекта Флоке без тех проблем, которые возникали при воздействии света на материал. Это открывает возможность создания экзотических квантовых устройств и материалов».
Принципы флокетовской физики можно объяснить на примере детских качелей: периодические толчки поднимают качели всё выше, хотя само движение остаётся колебательным. В квантовом мире периодическое воздействие сдвигает разрешённые энергетические уровни электронов, создавая гибридные состояния с новыми свойствами. Как только воздействие прекращается, электроны возвращаются в своё исходное состояние — но именно в ходе воздействия материал проявляет совершенно иное поведение.
Эксперименты продемонстрировали заметное отличие в эффективности. «Нам потребовались десятки часов сбора данных, чтобы увидеть эффекты Флоке под воздействием света, но лишь около двух часов — чтобы зафиксировать экситонный флокетовский эффект, и он оказался значительно более выраженным», — делится соавтор исследования, доктор Вивек Парик.
Это открытие имеет большие перспективы для практического применения. Экситонная инженерия Флоке требует значительно меньших энергий, чем световая. Кроме того, аналогичные реакции теоретически можно получить с помощью других квазичастиц: фононов (акустические колебания), плазмонов (коллективные колебания электронов) и магнонов (магнитные возбуждения).
