研究者らは、二酸化物材料の積層が自然に光と電子を捕捉する微小な空洞を形成し、鏡を必要とせずに量子挙動を変えることを発見した。この発見は、新しいテラヘルツ分光器を使用して観察され、エキゾチックな量子状態を制御する新しい方法を可能にする可能性がある。研究はNature Physicsに掲載された。
二次元材料は、超伝導性やエキゾチックな磁性などの効果で高く評価されており、その量子特性を理解し操作しようとする科学者たちを長年困惑させてきた。コロンビア大学の物理学准教授であるジェームズ・マクアイバーが率いるチームは、ドイツのハンブルクにあるマックスプランク構造・物質ダイナミクス研究所で始まった実験中に、これらの材料でこれまで見過ごされていたメカニズムを明らかにした。
この研究は、非平衡量子現象に関するマックスプランク-ニューヨークセンターの一部であり、コロンビア、フラットロン研究所、コーネル大学との協力を含んでいる。材料を探るために、チームは光の波長を約1ミリメートルから3マイクロメートルに縮小するコンパクトなテラヘルツ分光器を開発し、人間の髪の毛よりも薄い薄いサンプルでの電子の動きを直接観察できるようにした。
グラフェンでの初期テストでは、光-物質ハイブリッドの準粒子であるプラズモン極化子によって形成された予期せぬ定常波が発見された。「光は電子と結合して光-物質ハイブリッド準粒子を形成する。これらの準粒子は波として動き、特定の条件下ではギターの弦上の定常波のように閉じ込められる」と、MPSDのポスドク研究員で共同ファーストオーサーのホープ・ブレッチャーは説明した。
重要な洞察：材料の端が自然に鏡として機能し、光と電子を閉じ込める空洞を作成する。多層デバイスでは、これらの空洞—数十ナノメートル間隔—がプラズモンの強い相互作用を可能にする。「材料自身の端がすでに鏡として機能していることがわかった」と、MPSDの博士課程学生でファーストオーサーのグンダ・キップは述べた。
マリオス・マイケルを含むチームは、幾何学的パラメータを使用した解析理論を開発し、準粒子の周波数と光-物質結合を予測した。このツールは、キャリア密度や温度などの要因を変えることで特定の量子相向けの材料設計を助ける可能性がある。「量子材料における隠れた制御層を発見し、光-物質相互作用を形成する道を開いた」とマクアイバーは語った。
偶然の発見と形容されるこの発見は、量子技術へのより広範な応用への道を開く。分光器は現在、ハンブルクとニューヨークで他の2D材料を探るために使用されている。