اكتشف الباحثون أن أكوام المواد ثنائية الأبعاد تشكل تجاويف مجهرية بشكل طبيعي تحبس الضوء والإلكترونات، مما يغير السلوك الكمي دون الحاجة إلى مرايا. هذا الاكتشاف، الذي لوحظ باستخدام مطياف تيراهيرتز جديد، قد يمكن طرقًا جديدة للتحكم في الحالات الكمية الغريبة. نُشر الدراسة في مجلة Nature Physics.
المواد ثنائية الأبعاد، المقدرة لتأثيرات مثل التوصيل الفائق والمغناطيسية الغريبة، قد حيرت العلماء لفترة طويلة في سعيهم لفهم وتلاعب خصائصها الكمية. كشف فريق بقيادة جيمس ماكايفر، أستاذ مساعد في الفيزياء في جامعة كولومبيا، عن آلية غير مرئية سابقًا في هذه المواد خلال تجارب بدأت في معهد ماكس بلانك للهيكل والديناميكا للمادة في هامبورغ، ألمانيا.
البحث جزء من مركز ماكس بلانك-نيويورك للظواهر الكمية غير التوازنية، يشمل تعاونات مع كولومبيا، ومعهد فلاترون، وجامعة كورنيل. لاستكشاف المواد، طور الفريق مطياف تيراهيرتز مدمج يقلص أطوال موجات الضوء من حوالي 1 مليمتر إلى 3 ميكرومتر، مما يسمح بملاحظة مباشرة لحركات الإلكترونات في عينات رقيقة أرفع من شعرة بشرية.
اختبارات أولية على الغرافين كشفت عن موجات واقفة غير متوقعة تشكلت بواسطة كوازي جزيئات هجينة ضوء-مادة تعرف باسم البولاريتونات البلازمونية. "يمكن للضوء الاقتران بالإلكترونات لتشكيل كوازي جزيئات هجينة ضوء-مادة. تتحرك هذه الكوازي جزيئات كموجات و، تحت ظروف معينة، يمكن حبسها، تمامًا مثل الموجة الواقفة على وتر غيتار"، شرحت هوب بريتشر، باحثة ما بعد الدكتوراه في MPSD ومؤلفة أولى مشاركة.
الرؤية الرئيسية: حواف المواد تعمل بشكل طبيعي كمرايا، مما يخلق تجاويف تحبس الضوء والإلكترونات. في الأجهزة متعددة الطبقات، تسمح هذه التجاويف —المتباعدة بعشرات النانومترات— للبلازمونات بالتفاعل بقوة. "وجدنا أن حواف المادة نفسها تعمل بالفعل كمرايا"، قالت غوندا كيب، طالبة دكتوراه في MPSD ومؤلفة أولى.
طور الفريق، بما في ذلك ماريوس مايكل، نظرية تحليلية باستخدام معايير هندسية للتنبؤ بترددات الكوازي جزيئات والاقتران ضوء-مادة. يمكن لهذه الأداة المساعدة في تصميم مواد لمراحل كمية محددة من خلال تغيير عوامل مثل كثافة الحامل أو درجة الحرارة. "اكتشفنا طبقة مخفية من التحكم في المواد الكمية وافتحنا طريقًا لتشكيل التفاعلات ضوء-مادة"، قال ماكايفر.
وصف بأنه اكتشاف صدفي، يمهد هذا الاكتشاف الطريق لتطبيقات أوسع في التقنيات الكمية. يُستخدم المطياف الآن لاستكشاف مواد 2D أخرى في هامبورغ ونيويورك.