Forskare har upptäckt att staplar av tvådimensionella material naturligt bildar mikroskopiska håligheter som fångar ljus och elektroner, och förändrar kvantbeteendet utan behov av speglar. Detta fynd, observerat med ett nytt terahertz-spektroskop, kan möjliggöra nya sätt att styra exotiska kvanttillstånd. Studien publicerades i Nature Physics.
Tvådimensionella material, uppskattade för effekter som supraledning och exotiskt magnetism, har länge förbryllat forskare som försöker förstå och manipulera deras kvant-egenskaper. Ett team ledd av James McIver, biträdande professor i fysik vid Columbia University, avslöjade en tidigare osedd mekanism i dessa material under experiment som startade vid Max Planck-institutet för struktur och dynamik hos materia i Hamburg, Tyskland.
Forskningen är en del av Max Planck-New York Center for Nonequilibrium Quantum Phenomena, med samarbeten med Columbia, Flatiron Institute och Cornell University. För att undersöka materialen utvecklade teamet ett kompakt terahertz-spektroskop som krymper ljusvåglängder från cirka 1 millimeter till 3 mikrometer, vilket möjliggör direkt observation av elektronrörelser i tunna prover tunnare än ett människohår.
Initiala tester på grafen avslöjade oväntade stående vågor formade av hybrida ljus-materia-kvasipartiklar kända som plasmonpolaritoner. "Ljus kan kopplas till elektroner för att bilda hybrida ljus-materia-kvasipartiklar. Dessa kvasipartiklar rör sig som vågor och, under vissa förhållanden, kan de bli instängda, precis som den stående vågen på en gitarrsträng," förklarade Hope Bretscher, postdoktoralforskare vid MPSD och medförsta författare.
Den nyckelinblicken: materialens kanter fungerar naturligt som speglar och skapar håligheter som instänger ljus och elektroner. I flerlagersenheter tillåter dessa håligheter – åtskilda med tiotals nanometer – stark interaktion mellan plasmoner. "Vi har funnit att materialets egna kanter redan fungerar som speglar," sa Gunda Kipp, doktorand vid MPSD och första författare.
Teamet, inklusive Marios Michael, utvecklade en analytisk teori med geometriska parametrar för att förutsäga kvasipartikelfrekvenser och ljus-materia-koppling. Detta verktyg kan hjälpa till att designa material för specifika kvantfaser genom att variera faktorer som bärartäthet eller temperatur. "Vi har avslöjat ett dolt lager av kontroll i kvantmaterial och öppnat en väg för att forma ljus-materia-interaktioner," sa McIver.
Beskriven som serendipitisk öppnar upptäckten vägen för bredare tillämpningar inom kvantteknologier. Spektroskopet används nu för att utforska andra 2D-material i Hamburg och New York.