Oamenii de știință dau peste un truc cuantic ascuns în materiale 2D
Mecanism ascuns de control cuantic în materiale 2D ar putea revoluționa modul în care valorificăm lumina și materia pentru tehnologiile cuantice viitoare.
Data: 21 octombrie 2025 Sursa: Universitatea Columbia Sumar: Cercetătorii au descoperit că materialele 2D pot auto-forma cavități microscopice care prind lumina și electronii, modificându-le comportamentul cuantic. Cu un spectoscop terahertz miniaturizat, echipa a observat unde staționare lumină-materie fără a avea nevoie de oglinzi. Această descoperire neașteptată oferă o nouă metodă de manipulare a stărilor cuantice exotice și de proiectare a materialelor cu proprietăți personalizate.
POVESTE COMPLETĂ Unde staționare de lumină terahertz sunt limitate în straturi conductive ale unei heterostructuri van der Waals. Modurile de auto-cavitate din grafen (roșu) și o poartă de grafit (albastru) se hibridizează în regimul de cuplare ultra-puternic.
Când sunt aranjate în moduri potrivite, materialele bidimensionale pot afișa efecte cuantice neobișnuite și valoroase, cum ar fi supraconductivitatea și tipuri exotice de magnetism. Înțelegerea motivului apariției acestor efecte și modul de controlare a acestora rămâne una dintre cele mai mari provocări pentru fizicieni și ingineri.
Un nou studiu publicat în Nature Physics a descoperit o proprietate nevăzută anterior, care poate explica modul în care se formează și evoluează aceste faze cuantice misterioase. Folosind o metodă nouă de spectroscopie terahertz (THz), cercetătorii au descoperit că stivele subțiri de materiale 2D - utilizate în mod obișnuit în laboratoarele din întreaga lume - pot crea în mod natural ceea ce se numesc cavități. Aceste spații mici limitează atât lumina, cât și electronii în regiuni și mai mici, modificând semnificativ interacțiunile și comportamentul acestora.
"Am descoperit un strat ascuns de control în materialele cuantice și am deschis o cale către modelarea interacțiunilor lumină-materie în moduri care ne-ar putea ajuta atât să înțelegem faze exotice ale materiei, cât și, în cele din urmă, să le valorificăm pentru viitoarele tehnologii cuantice", a declarat James McIver, profesor asistent de fizică la Columbia și autorul principal al lucrării.
Munca își are originea în Hamburg, unde McIver a condus un grup de cercetare la Institutul Max Planck pentru Structura și Dinamica Materiei (MPSD). Institutul face parte din Centrul Max Planck-New York privind fenomenele cuantice de neechilibru, o colaborare între MPSD, Columbia, Institutul Flatiron și Universitatea Cornell. Cercetătorii de la Centru studiază modul în care sistemele fizice stabile răspund atunci când sunt împinse departe de echilibru. Echipa lui McIver explorează aceste întrebări prin lumină.
"Materialele 2D, cu proprietățile lor macroscopice fascinante, se comportă adesea ca niște cutii negre. Strălucind lumina asupra lor, putem face lumină în mod literal asupra comportamentului ascuns al electronilor lor, dezvăluind detalii care altfel ar rămâne nevăzute", a spus Gunda Kipp, doctorand la MPSD și primul autor al lucrării.
Un obstacol, totuși, este că lungimile de undă ale luminii necesare pentru a sonda materialele 2D sunt mult mai mari decât materialele în sine, care sunt mai subțiri decât un fir de păr uman. Pentru a depăși această nepotrivire de scară, cercetătorii au dezvoltat un spectoscop de dimensiunea unui cip care comprimă lumina THz - gama în care apar multe efecte cuantice - de la aproximativ 1 milimetru până la doar 3 micrometri. Acest design compact a făcut posibilă observarea directă a modului în care electronii se mișcă în interiorul materialelor 2D.
Ei și-au testat mai întâi abordarea folosind grafen, o formă binecunoscută de carbon, pentru a măsura conductivitatea sa optică. Ceea ce au descoperit a fost neașteptat: unde staționare distincte.
"Lumina se poate cupla cu electronii pentru a forma cvasiparticule hibride lumină-materie. Aceste cvasiparticule se mișcă ca unde și, în anumite condiții, pot deveni limitate, la fel ca unda staționară de pe o coardă de chitară care produce o notă distinctă", a explicat Hope Bretscher, cercetător postdoctoral MPSD și co-primul autor.
Într-o chitară, capetele fixe ale coardei definesc unde se poate forma unda. Apăsarea unui deget pe coardă scurtează unda, schimbând înălțimea notei. În optică, are loc un proces similar atunci când două oglinzi prind lumina între ele, creând o undă staționară în interiorul a ceea ce oamenii de știință numesc cavitate. Când un material este plasat în interiorul acelei cavități, lumina captată poate interacționa în mod repetat cu acesta, modificându-i proprietățile electronice.
Cu toate acestea, cercetătorii au descoperit că s-ar putea să nu fie necesare nici măcar oglinzile.
"Am descoperit că propriile margini ale materialului acționează deja ca oglinzi", a spus Kipp.
Cu spectoscopul lor THz, ei au observat că fluxurile excitate de electroni se reflectă de pe margini pentru a forma un tip de cvasiparticulă hibridă lumină-materie numită plasmon polariton.
Laboratorul McIver a studiat un dispozitiv format din mai multe straturi, fiecare dintre acestea putând acționa ca o cavitate separată de câteva zeci de nanometri. Plasmonii care se formează în fiecare strat pot, la rândul lor, interacționa - adesea puternic.
"Este ca și cum ai conecta două coarde de chitară; odată conectate, nota se schimbă", a spus Bretscher. "În cazul nostru, se schimbă drastic."
Următorul pas a fost să înțelegem ce determină frecvențele acestor cvasiparticule și cât de strâns se cuplează lumina și materia.
"Împreună cu co-autorul și cercetătorul postdoctoral MPSD Marios Michael, am dezvoltat o teorie analitică care avea nevoie doar de câțiva parametri geometrici ai probei pentru a se potrivi cu observațiile experimentelor noastre", a spus Kipp. "Cu doar un clic pe un buton, teoria noastră poate extrage proprietățile unui material și ne va ajuta să proiectăm și să adaptăm viitoarele probe pentru a obține proprietăți specifice. De exemplu, urmărind rezonanțele ca funcții de densitate a purtătorului, temperatură sau câmp magnetic, putem descoperi mecanismele care conduc diferite faze cuantice."
În timp ce acest studiu s-a concentrat pe plasmoni, noul spectoscop THz la scară de cip ar putea detecta alte tipuri de cvasiparticule care oscilează în multe materiale 2D diferite. Echipa testează deja noi probe atât în Hamburg, cât și în New York.
"Întregul proiect a fost un fel de descoperire întâmplătoare. Nu ne așteptam să vedem aceste efecte de cavitate, dar suntem încântați să le folosim pentru a manipula fenomenele din materialele cuantice în viitor", a spus Bretscher. "Și acum că avem o tehnică pentru a le vedea, suntem intrigați să aflăm cum ar putea afecta alte materiale și faze."