Дослідники з Molecular Foundry у Національній лабораторії ім. Лоуренса Берклі встановили, що низькотемпературні квантові квазічастинки фазони у кристалічних гратках змушують квазічастинки екситони рухатись навіть за умов, у яких будь-який рух, як очікувалось, має бути неможливим. 

Це відкриття доповнює фундаментальні знання в області матеріалознавства і може допомогти підвищити стабільність роботи квантових технологій, включно із використанням екситонів у якості кубітів. Якщо скласти і трохи повернути два зображення з однаковими формами, наприклад, квадрати чи трикутники, утвориться муаровий візерунок. Він буде більш великим хвилеподібним зображенням, яке, як здається, створює брижі на поверхні. Цей оптичний ефект досягається за рахунок простого повторення та вирівнювання. 

Аналогічний ефект виникає у наноструктурах, коли дослідники накладають один на одного надтонкі шари напівпровідників, що називаються дихалькогенідами перехідних металів, завтовшки не більше атому. Таке накладення створює те, що науковці називають муаровим потенціалом. Це повторювані енергетичні ділянки з опуклостями та впадинами між шарами матеріалів. Такі візерунки можуть викликати незвичайну електронну та оптичну поведінку квантових частинок. 

Донедавна науковці вважали, що ці муарові потенціали не можуть рухатись. Однак дослідники з Molecular Foundry виявили, що у накладених один на одного шарах дихалькогенідів перехідних металів відбувається рух, навіть за надзвичайно низьких температур. 

Це відкриття є багатообіцяючим, оскільки керування муаровими потенціалами може допомогти пом’якшити декогеренцію у кубітах та датчиках. Декогеренція виникає після того, як внаслідок інтерференції втрачається квантовий стан та інформація про нього.

Збудження шарів цих надтонких матеріалів за допомогою зеленого імпульсного лазера змушує електрони переходити у збуджений стан. Електрони залишають по собі вільне місце з позитивним зарядом. Це створює пару електрон-вільне місце — екситон.

Зазвичай екситони утворюються в одношарових матеріалах. Однак у двошарових системах екситони розділяються. Електрони переміщуються у шар дисульфіду вольфраму, а позитивно заряджені вільні місця залишаються у шарі диселеніду вольфраму.

Ці особливі екситони, що стрибають крізь шари, вчені називають «міжшарові екситони» або IX. За словами керівника дослідження, наукового співробітника Molecular Foundry Антоніо Россі, можно було б очікувати, що ці муарові ділянки будуть діяти на кшталт пасток, звідки екситони, що туди потрапили, не можуть вибратися. Однак дослідники помітили, що ці екситони здійснювали коливання у муарових структурах, незважаючи на те, що були заблоковані у них.

Щоб забезпечити спостереження за екситонами в русі, Йоханнес Лішнер та Індраджит Майті з Імперського коледжу Лондона використовували моделювання для отримання моментальних знімків муарового потенціалу. За результатами спостережень дослідники дійшли єдиного висновку, сам потенціал муару має рухатись. 

Вчені вважають, що низькотемпературні квазічастинки фазони дозволяють міжшаровим екситонам рухатись навіть коли ті заблоковані. Фазони представляють собою квант енергії в середині кристалічної гратки, який має власний імпульс і положення, і в цілому веде себе подібно до частинки.

Антоніо Россі  та його колеги з’ясували, що рух міжшарових екситонів у муаровому потенціалі залежить від кута та температури. Зокрема, вони здійснюють максимальний рух, коли шари дихалькогенідів перехідних металів паралельні. Коли температура системи стає близькою до нуля, рух міжшарових екситонів поступово також наближається до нуля, однак не зупиняється повністю. 

Коти покращують квантові обчислення своїми кубітами — як це працює

Результати дослідження були опубліковані у журналі ACS Nano

Джерело: SciTechDaily