Nature Physics: найден способ "перепрограммировать" материалы с помощью экситонов

Международная группа физиков предложила новый способ так называемой флоке-инженерии — метода, позволяющего временно изменять фундаментальные свойства материалов. Вместо мощного лазерного излучения ученые использовали экситоны — связанные пары электрона и "дырки", возникающие в полупроводниках. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Флоке-инженерия основана на том, что периодическое внешнее воздействие — например, электромагнитное излучение — может "переодевать" электронную структуру кристалла, создавая новые энергетические состояния. В теории такой подход позволяет на время превратить обычный полупроводник в материал с экзотическими свойствами, вплоть до сверхпроводимости.

Однако на практике метод почти всегда требовал экстремально мощного света, который быстро нагревает и разрушает образец.

Новое исследование предлагает альтернативу. Как показали авторы, экситоны взаимодействуют с материалом гораздо сильнее фотонов, поскольку связаны с электронами самой кристаллической решетки. Это позволяет вызывать выраженные флёке-эффекты при значительно меньших энергиях.

В экспериментах ученые исследовали атомарно тонкий полупроводник с помощью установки TR-ARPES — спектроскопии с временным и угловым разрешением. Сначала они зафиксировали классические флоке-реплики электронных зон при сильном оптическом воздействии. Затем интенсивность света снизили более чем на порядок и провели измерения спустя 200 фемтосекунд — в момент, когда основную роль начинали играть экситоны. Эффект оказался не только устойчивым, но и заметно более выраженным.

По словам авторов, принципиально важно, что флоке-инженерия теперь не ограничивается фотонами. Теоретически аналогичные эффекты можно вызывать и другими квазичастицами — фононами (колебания решетки), магнонами (спиновые волны) или плазмонами.

"Мы открыли путь к прикладной флоке-физике, в которой можно использовать самые разные бозоны", — подчеркнул соавтор исследования Дэвид Бэкон из Университетского колледжа Лондона.

— "Рецепта универсального квантового материала у нас пока нет, но теперь есть чёткий спектральный "отпечаток", с которого можно начинать".

Авторы считают, что открытие может приблизить создание управляемых квантовых материалов и устройств нового поколения — от энергоэффективной электроники до платформ для квантовых вычислений.