Doğru kombinasyonlarda ve koşullarda, iki boyutlu malzemeler süperiletkenlik ve benzersiz manyetizma biçimleri gibi ilgi çekici ve potansiyel olarak değerli kuantum fazlarına ev sahipliği yapabilir. Bunların neden oluştuğu ve nasıl kontrol edilebileceği fizikçiler ve mühendisler arasında oldukça ilgi çekicidir. Yayınlanan araştırma Doğa Fiziği esrarengiz kuantum fazlarının nasıl ve neden ortaya çıktığını açıklayabilecek, önceden gizli olan bir özelliği ortaya çıkarıyor.
Yeni bir terahertz (THz) spektroskopik tekniği kullanan araştırmacılar, dünya çapındaki araştırma laboratuvarlarında bulunan küçük 2 boyutlu malzeme yığınlarının doğal olarak boşluk olarak bilinen şeyleri oluşturabildiğini ortaya çıkardı. Bu boşluklar, ışığı ve elektronları daha da küçük alanlara hapsederek davranışlarını büyük ölçüde değiştirme potansiyeline sahiptir.
Columbia’da fizik profesörü ve makalenin başyazarı James McIver, “Kuantum malzemelerde gizli bir kontrol katmanını açığa çıkardık ve ışık-madde etkileşimlerini hem maddenin egzotik evrelerini anlamamıza hem de sonuçta bunları gelecekteki kuantum teknolojileri için kullanmamıza yardımcı olacak şekillerde şekillendirmenin bir yolunu açtık” dedi.
Keşif, McIver’ın Max Planck-New York Dengesizlik Kuantum Olayları Merkezi’ni oluşturan kurumlardan biri olan Max Planck Maddenin Yapısı ve Dinamiği Enstitüsü’nde (MPSD) grup lideri olduğu dönemde Hamburg’da başladı. Columbia, Flatiron Enstitüsü ve Cornell Üniversitesi’nin de yer aldığı Merkez’deki araştırmacılar, kararlı sistemlerin dengesi bozulduğunda ne olacağıyla ilgileniyor.
McIver laboratuvarı gün ışığına çıkıyor. Ph.D. Gunda Kipp, “Büyüleyici makroskobik özellikleriyle 2 boyutlu malzemeler genellikle kara kutular gibi davranıyor. Onlara ışık tutarak, elektronlarının gizli davranışlarına tam anlamıyla ışık tutabiliyoruz, aksi halde görülmeyecek ayrıntıları ortaya çıkarabiliyoruz” dedi. McIver grubuyla çalışan MPSD öğrencisi ve yayının ilk yazarı. Buradaki zorluk, 2 boyutlu malzemeleri araştırmak için gereken ışığın dalga boylarının, genellikle insan saçından daha küçük olan malzemelerin kendisinden çok daha büyük olmasıdır.
Bu boyut uyumsuzluğunu gidermek için ekip, THz ışığını (esrarengiz kuantum fenomeninin meydana geldiği düşünülen aralık) 1 mm’den sadece 3 mikrometreye kadar sınırlayan çip boyutlu bir spektroskopla işleri çok küçülttü. Bu, ekibin elektronların 2 boyutlu sistemlerdeki davranışını görselleştirmesine olanak tanıyor. Spektroskopun iyi çalışılmış bir malzemedeki optik iletkenliği ne kadar iyi ölçebildiğini test etmek için grafen ile deneylere başladılar.
Beklenmedik duran dalgalar gördüler.
MPSD doktora sonrası araştırmacısı ve ilk yazarlardan Hope Bretscher, “Işık, hibrit ışık-madde yarı parçacıkları oluşturmak için elektronlarla birleşebilir. Bu yarı parçacıklar dalgalar halinde hareket eder ve belirli koşullar altında, gitar telindeki farklı bir nota üreten duran dalga gibi hapsedilebilirler” diye açıkladı.
Gitar örneğinde telin sabit uçları duran dalganın sınırlarını tanımlar; parmaklarınızı tellerin üzerinde tutmak telin titreyebileceği dalgayı kısaltır ve ürettiği notayı değiştirir. Optikte benzer bir etki, ışığı aralarında hapseden ve boşluk olarak bilinen şeyin içinde sınırlı bir duran dalga oluşturan iki aynayla elde edilebilir. Aynaların arasına bir malzeme yerleştirildiğinde, ileri geri yansıyan ışık onunla etkileşime girecek ve potansiyel olarak özelliklerini değiştirecektir.
Ancak aynalar isteğe bağlı olabilir.
Kipp, “Malzemenin kendi kenarlarının zaten ayna görevi gördüğünü bulduk” dedi. THz spektroskoplarıyla, uyarılmış elektron akışlarının kenarlardan yansıyarak plazmon polariton adı verilen bir tür hibrit hafif madde yarı parçacığı oluşturduğunu gözlemlediler.
McIver laboratuvarı, her biri birkaç on nanometreyle ayrılmış bir boşluk görevi görebilen birden fazla katmandan oluşan bir cihaz üzerinde çalıştı. Her katmanda oluşan plazmonlar genellikle güçlü bir şekilde etkileşime girebilir. Bretscher, “Bu, iki gitar telini birbirine bağlamak gibidir; bağlandığında nota değişir” dedi. “Bizim durumumuzda, büyük ölçüde değişiyor.”
Bir sonraki soru, titreşen yarı parçacıkların frekanslarını tam olarak neyin belirlediği ve ışık ile malzemenin ne kadar güçlü etkileşime girdiğidir. Kipp, “Ortak yazar ve MPSD doktora sonrası araştırmacısı Marios Michael ile birlikte, deneylerimizin gözlemleriyle eşleşmesi için yalnızca bir avuç geometrik örnek parametresine ihtiyaç duyan analitik bir teori geliştirdik” dedi.
“Sadece bir düğmeye tıklamayla, teorimiz bir malzemenin özelliklerini ortaya çıkarabilir ve belirli özellikleri elde etmek için gelecekteki örnekleri tasarlamamıza ve uyarlamamıza yardımcı olacaktır. Örneğin, rezonansları taşıyıcı yoğunluğunun, sıcaklığın veya manyetik alanın işlevleri olarak izleyerek, farklı kuantum fazlarını yönlendiren mekanizmaları ortaya çıkarabiliriz.”
Yayınlanan çalışma plazmonları yakalarken, yeni çip ölçekli THz spektroskopu, çok çeşitli 2 boyutlu malzemeler içinde salınan diğer türdeki yarı parçacıkları gözlemleyebilmelidir. Ekip halihazırda hem Hamburg’da hem de New York’ta yeni örnekleri ölçmek için çalışıyor.
Bretscher, “Bütün bu proje tesadüfi bir keşifti. Bu boşluk etkilerini görmeyi beklemiyorduk, ancak bunları ileriye dönük olarak kuantum malzemelerdeki fenomenleri manipüle etmek için kullanmaktan heyecan duyuyoruz” dedi. “Ve artık onları görmek için bir tekniğimiz olduğuna göre, diğer malzemeleri ve aşamaları nasıl etkileyebileceklerini öğrenmek ilgimizi çekiyor.”
