Niemiecki fizyk kwantowy Christian Schneider otrzymał grant ERC Consolidator Grant.
Fizyk Christian Schneider otrzymał prestiżowy grant Consolidator Grant od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERC) za przełomowe badania nad materiałami dwuwymiarowymi i ich właściwościami optycznymi. Schneider, profesor na Uniwersytecie w Oldenburgu w Niemczech, otrzyma w ciągu najbliższych pięciu lat dofinansowanie w wysokości około dwóch milionów euro na wsparcie swojego projektu „Dual Twist”.
Badania te skupiają się na nowej klasie atomowo cienkich materiałów i ich niezwykłych właściwościach, które niosą ze sobą duże nadzieje w kontekście rozwoju technologii optycznych.
Wraz ze swoim zespołem Schneider opracuje układy eksperymentalne specjalnie zaprojektowane do badania unikalnych właściwości badanych materiałów za pomocą światła i torowania drogi do ich zastosowania w nowatorskich technologiach kwantowych. Granty ERC Consolidator Grants mają na celu wsparcie znakomitych naukowców prowadzących innowacyjne badania w Europie i pomoc im w ugruntowaniu ich niezależności naukowej. Spośród ogółem 2313 wniosków ERC wybrała obecnie do finansowania 328 projektów, z czego 67 ma siedzibę w Niemczech.
Komentując grant, prof. dr Ralph Bruder, rektor Uniwersytetu w Oldenburgu, powiedział: „Christian Schneider jest wybitnym badaczem, któremu Europejska Rada ds. Badań Naukowych przyznała już grant dla początkujących naukowców. Fakt, że po raz kolejny otrzymuje fundusze europejskie na najwyższym szczeblu, jest poważnym uznaniem dla jego osiągnięć, a jednocześnie dowodem na to, że Instytut Fizyki w Oldenburgu dzięki swoim możliwościom badania złożonych zjawisk kwantowych jest doskonale przygotowany na przyszłość”.
Nowy projekt koncentruje się na materiałach dwuwymiarowych (materiały 2D). Te ciała stałe mają często grubość mniejszą niż jedna miliardowa metra (jeden nanometr) i składają się z zaledwie kilku warstw atomowych. „W materiałach tych można zaobserwować podstawowe właściwości fizyczne, takie jak przewodnictwo elektryczne, w porównaniu do ciał stałych, a jednocześnie można zaobserwować ciekawe zjawiska kwantowe” – wyjaśnia Schneider, kierujący grupą badawczą Quantum Materials na Uniwersytecie w Oldenburgu.
W 2021 roku jego zespołowi udało się nakłonić materiały 2D do emisji spójnego światła laserowego zarówno w ekstremalnie niskich temperaturach, jak i w temperaturze pokojowej – co stanowi przełom, który może posłużyć za podstawę do opracowania niezwykle wszechstronnych nanolaserów nowej generacji. W ramach projektu Dual Twist Schneider i jego zespół planują teraz zbadać podwójne warstwy (dwuwarstwy) tych materiałów 2D, które oferują znacznie więcej możliwości niż kryształy jednowarstwowe.
Skręcając dwie warstwy, materiały można głęboko przekształcić
W ostatnich latach naukowcy odkryli, że właściwości optyczne, mechaniczne i elektroniczne struktur dwuwarstwowych można zasadniczo zmienić poprzez skręcenie ich sieci krystalicznych względem siebie. Dobrze zbadanym przykładem jest to grafenspecjalna forma węgla. Grafen składa się z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w sześciokątną siatkę.
Kiedy dwie z tych kratek o wzorze plastra miodu zostaną umieszczone jedna na drugiej i lekko obrócone lub skręcone, powstają ciekawe wzory zwane strukturami Moiré. Te wzorce z kolei mają ogromny wpływ na zachowanie elektronów w grafenie: skręcając warstwy, ten materiał, który zwykle jest przewodzący, można przekształcić w izolator elektryczny, w którym unieruchomione są elektrony, lub w nadprzewodnik w w którym elektrony płyną swobodnie i bez oporu. Ta wyłaniająca się dziedzina badań znana jest jako „twitronics”.
Schneider jest szczególnie zainteresowany właściwościami optycznymi skręconych dwuwarstw. Na potrzeby eksperymentów w ramach nowego projektu on i jego zespół przygotują specjalne materiały półprzewodnikowe, z którymi pracowali już w poprzednich badaniach. Próbki te zostaną następnie umieszczone pomiędzy dwiema warstwami materiałów, które odbijają cząsteczki światła niczym lustro. „Ta konstrukcja przypomina w zasadzie klatkę na światło” – wyjaśnia Schneider. Eksperci nazywają to „mikrownęką”. W tej konfiguracji zespół następnie pobudzi materiały 2D do stworzenia nowych stanów kwantowych, które można potencjalnie wykorzystać w nowych zastosowaniach w technologiach kwantowych.
Symulator kwantowy składający się ze światła uwięzionego we wnękach
W podejściu dualnym zespół planuje również przeanalizować właściwości materiałów przy użyciu innowacyjnej techniki symulacji kwantowej. „W fizyce ciała stałego często można znaleźć jedynie pośrednie dowody na to, jak elektrony w materiale zachowują się w określonych warunkach” – wyjaśnia Schneider.
Co więcej, badane materiały 2D są zbyt złożone, aby można było określić ich właściwości za pomocą nowoczesnych metod modelowania – dodaje. Zamiast tego naukowcy planują skonstruować symulator kwantowy, w którym cząstki światła (fotony) uwięzione w mikrownękach zostaną wykorzystane do symulacji badanych materiałów. „Ponieważ równania fizyczne opisujące zachowanie atomów są podobne do tych, które opisują zachowanie światła, możliwe jest tworzenie analogicznych struktur” – podaje Schneider.
Atrakcyjność polega na tym, że w tych symulowanych systemach fotonicznych naukowcy mogą obserwować pod mikroskopem, jakie pojawiają się stany kwantowe i jak różne cząstki oddziałują ze sobą. Mają nadzieję w ten sposób zidentyfikować najciekawsze konstelacje w rzeczywistych materiałach, a tym samym będą w stanie kontrolować stany kwantowe, które wcześniej były trudne do kontrolowania, i ostatecznie utorować drogę do ich zastosowania w technologiach kwantowych.
Christian Schneider jest profesorem materiałów kwantowych w Instytucie Fizyki Uniwersytetu w Oldenburgu od 2020 r. Wcześniej kierował grupą badawczą na Uniwersytecie w Würzburgu, gdzie w 2016 r. otrzymał od ERC grant dla początkujących w wysokości 1,5 mln euro za „ unlimit2D”.
