Skręcanie kryształów dwusiarczku wolframu umożliwia naukowcom kontrolowanie ruchu elektronów i ulepszanie właściwości optycznych, otwierając nowe możliwości w zakresie materiałów kwantowych i zastosowań fotonicznych.
W 2018 r. odkrycie w dziedzinie materiałoznawstwa wywołało szok w całej społeczności. Zespół wykazał, że ułożenie dwóch warstw grafenu – przypominającej plaster miodu warstwy węgla wydobytego z grafitu – pod precyzyjnym „magicznym kątem” zamieniło go w nadprzewodnik, mówi Ritesh Agarwal z Instytutu Uniwersytet Pensylwanii. To zapoczątkowało rozwój dziedziny „twistroniki”, odkrywając, że skręcanie warstwowych materiałów może odblokować niezwykłe właściwości materiałów.
Opierając się na tej koncepcji, Agarwal, fizyk teoretyczny z Penn Eugene Mele i współpracownicy wprowadzili twistronics na nowe terytorium. W badaniu opublikowanym w Naturazbadali spiralnie ułożone kryształy dwusiarczku wolframu (WS₂) i odkryli, że skręcając te warstwy, światło można wykorzystać do manipulowania elektronami. Wynik jest analogiczny do siły Coriolisa, która zakrzywia ścieżki obiektów w obracającym się układzie, podobnie jak wiatr i prądy oceaniczne zachowują się na Ziemi.
„Odkryliśmy, że po prostu skręcając materiał, możemy kontrolować ruch elektronów” – mówi Agarwal, wybitny naukowiec Srinivasa Ramanujan w Szkole Inżynierii i Nauk Stosowanych. Zjawisko to było szczególnie widoczne, gdy zespół skierował światło spolaryzowane kołowo na spirale WS₂, powodując odchylanie elektronów w różnych kierunkach w zależności od wewnętrznego skręcenia materiału.
Początki najnowszych odkryć zespołu sięgają początków tzw COVID 19 blokady związane z pandemią, kiedy laboratorium zostało zamknięte, a pierwsza autorka Zhurun (Judy) Ji kończyła doktorat.
Nie mogąc przeprowadzać eksperymentów fizycznych w kosmosie, skupiła się na bardziej teoretycznych pracach i współpracowała z Mele, wybitnym profesorem fizyki Christophera H. Browne’a w Szkoła Sztuk Pięknych & Nauki. Wspólnie opracowali teoretyczny model zachowania elektronów w skręconych środowiskach, oparty na spekulacjach, że stale skręcona sieć stworzy dziwny, złożony krajobraz, w którym elektrony mogą wykazywać nowe zachowania kwantowe.
„Struktura tych materiałów przypomina DNA lub spiralne schody. Oznacza to, że zwykłe zasady okresowości w krysztale – gdzie atomy układają się w schludne, powtarzające się wzory – nie mają już zastosowania” – mówi Ji.
Eksperymentalne przełomy
Gdy nastał rok 2021 i zniesiono ograniczenia związane z pandemią, Agarwal dowiedział się podczas konferencji naukowej, że jego były kolega Song Jin z Uniwersytetu Wisconsin-Madison hodował kryształy o ciągłym skręcie spiralnym. Uznając, że spiralnie skręcone kryształy WS₂ Jina są idealnym materiałem do przetestowania teorii Ji i Mele, Agarwal zorganizował dla Jina przesłanie partii. Wyniki eksperymentu były intrygujące.
Mele twierdzi, że efekt odzwierciedlał siłę Coriolisa, obserwację zwykle kojarzoną z tajemniczymi odchyleniami bocznymi obserwowanymi w układach wirujących. Matematycznie siła ta bardzo przypomina odchylenie magnetyczne, co wyjaśnia, dlaczego elektrony zachowywały się tak, jakby pole magnetyczne było obecne, nawet jeśli go nie było. To spostrzeżenie było kluczowe, ponieważ powiązało skręcenie kryształu i interakcję ze światłem spolaryzowanym kołowo.
Agarwal i Mele porównują reakcję elektronów z klasycznym efektem Halla, w którym prąd przepływający przez przewodnik jest odchylany na boki przez pole magnetyczne. Ale chociaż efekt Halla jest napędzany przez pole magnetyczne, w tym przypadku „elektrony kierowały skręconą strukturą i siłą Coriolisa” – mówi Mele. „Odkrycie nie polegało tylko na znalezieniu tej siły; chodziło o zrozumienie, kiedy i dlaczego się pojawia, a co ważniejsze, kiedy nie powinien.
Mele dodaje, że jednym z głównych wyzwań było to, że kiedy odkryto, że w skręconym krysztale może wystąpić odchylenie Coriolisa, wydawało się, że pomysł się sprawdził. Efekt pojawił się w teorii tak naturalnie, że trudno go było wyłączyć nawet w scenariuszach, w których nie powinien istnieć. Ustalenie dokładnych warunków, w jakich można zaobserwować lub stłumić to zjawisko, zajęło prawie rok.
Agarwal porównuje zachowanie elektronów w tych materiałach do „zjeżdżania na zjeżdżalni w parku wodnym”. Gdyby elektron schodził po prostym ślizgu, jak w przypadku konwencjonalnych sieci materiałowych, wszystko byłoby gładkie. Ale jeśli ześlesz go po spiralnej zjeżdżalni, będzie to zupełnie inne doświadczenie. Elektron odczuwa siły popychające go w różnych kierunkach i wychodzi na drugim końcu odmieniony, jakby miał lekkie „zawroty głowy”.
Ten „zawrót głowy” był szczególnie ekscytujący dla zespołu, ponieważ wprowadza nowy stopień kontroli nad ruchem elektronów, osiągany wyłącznie dzięki geometrycznemu skręceniu materiału. Co więcej, prace ujawniły również silną nieliniowość optyczną, co oznacza, że reakcja materiału na światło została znacznie wzmocniona.
„W typowych materiałach nieliniowość optyczna jest słaba” – mówi Agarwal – „ale w naszym skręconym układzie jest niezwykle silna, co sugeruje potencjalne zastosowania w urządzeniach i czujnikach fotonicznych”.
Wzory mory i zachowania kwantowe
Innym aspektem badania były wzory mory, które są wynikiem niewielkiej niewspółosiowości kątowej pomiędzy warstwami, która odgrywa znaczącą rolę w efekcie. W tym systemie skala długości mory – utworzona przez skręt – jest na równi z długością fali światła, dzięki czemu światło może silnie oddziaływać ze strukturą materiału.
„Ta interakcja między światłem a wzorem mory dodaje warstwę złożoności, która wzmacnia obserwowane przez nas efekty” – mówi Agarwal – „a to sprzężenie pozwala światłu tak skutecznie kontrolować zachowanie elektronów”.
Kiedy światło wchodziło w interakcję ze skręconą strukturą, zespół zaobserwował złożone funkcje falowe i zachowania niespotykane w zwykłych materiałach dwuwymiarowych. Wynik ten nawiązuje do koncepcji „kwantowych wielkości geometrycznych wyższego rzędu”, takich jak multipole krzywizny Berry’ego, które zapewniają wgląd w stany kwantowe i zachowania materiału. Odkrycia te sugerują, że skręcenie zasadniczo zmienia strukturę elektronową, tworząc nowe ścieżki kontrolowania przepływu elektronów w sposób niedostępny dla tradycyjnych materiałów.
I wreszcie badanie wykazało, że nieznacznie dostosowując grubość i poręczność spiral WS₂, można było precyzyjnie dostroić siłę optycznego efektu Halla. Ta przestrajalność sugeruje, że te skręcone struktury mogą być potężnym narzędziem do projektowania nowych materiałów kwantowych o wysoce regulowanych właściwościach.
„Zawsze mieliśmy ograniczone możliwości manipulowania zachowaniem elektronów w materiałach. Pokazaliśmy tutaj, że kontrolując skręt, możemy wprowadzić zupełnie nowe właściwości” – mówi Agarwal. „Tak naprawdę jedynie zarysowujemy powierzchnię tego, co jest możliwe. Dzięki spiralnej strukturze oferującej nowy sposób interakcji fotonów i elektronów, wkraczamy w coś zupełnie nowego. Co więcej może ujawnić ten system?”
Odniesienie: „Opto-twistroniczny efekt Halla w trójwymiarowej siatce spiralnej” autorstwa Zhuruna Ji, Yuzhou Zhao, Yicong Chen, Ziyan Zhu, Yuhui Wang, Wenjing Liu, Gaurav Modi, Eugene J. Mele, Song Jin i Ritesh Agarwal, 18 wrzesień 2024, Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07949-1
Badania te były wspierane przez Siły Powietrzne USA (nagroda FA9550-20-1-0345), National Science Foundation (granty NSF-2323468, NSF-2323470, NSF-2230240, DMR-1720530, NNCI-1542153 i NSF-QII- TAQS-#1936276), Departament Energii (Grant DE FG02 84ER45118) i Biuro Badań Marynarki Wojennej (Grant N00014-22-1-2378).
