Odkrycie dotyczy grupy związków znanych jako dichalkogenki metali przejściowych (TMDC). To cienkie jak kartka z grafitu kryształy, które potrafią przewodzić prąd, pochłaniać światło i jednocześnie zachowują elastyczność. Są uznawane za jeden z najważniejszych materiałów przyszłości w elektronice i fotonice.
Czytaj też: Światło uwięzione w mozaice Penrose’a. Powstał pierwszy kwazikryształ polarytonowy
Naukowcy z Rice University przyjrzeli się tzw. materiałom janusowym, nazwanym od rzymskiego boga o dwóch obliczach. W ich strukturze górna i dolna warstwa zbudowane są z różnych pierwiastków, np. siarki i selenu. Ta asymetria nadaje im wrodzoną polaryzację elektryczną, dzięki czemu reagują niezwykle silnie na światło i inne bodźce. Szczegóły opisano w ACS Nano.
Jak tłumaczy współautorka badania, dr Kunyan Zhang:
Nasze badania pokazują, że ta wyjątkowa struktura sprawia, iż światło nie tylko oddziałuje na powierzchnię, ale także wywołuje siły w samym wnętrzu materiału.
Jak światło przesuwa atomy
Aby sprawdzić, jak dokładnie światło wpływa na materiały janusowe, badacze oświetlali próbki laserem o różnych długościach fali. Pracowali z dwuwarstwowym materiałem zbudowanym z molibdenu, siarki i selenu. Podczas eksperymentu obserwowali zjawisko zwane generacją drugiej harmonicznej – materiał emituje światło o dwukrotnie większej częstotliwości niż to, które na niego pada. W normalnych warunkach taki sygnał ma symetryczny, sześciopłatkowy kształt, przypominający kwiat. Jednak gdy światło zaczęło oddziaływać na atomy, wzór uległ zniekształceniu.
Czytaj też: YouTuber nagrywa światło lasera. Rekordowe 2 miliardy klatek na sekundę w domowym garażu
Naukowcy odkryli, że zniekształcenia te wynikają ze zjawiska optostrykcji – procesu, w którym pole elektromagnetyczne światła wywiera rzeczywisty, mechaniczny nacisk na atomy. W przypadku materiałów Janusowych efekt ten jest wyjątkowo silny, bo różnice chemiczne między warstwami wzmacniają wzajemne oddziaływanie atomów.
Dr Kunyan Zhang mówi:
To jak miniaturowa fala uderzeniowa w świecie atomów. Siły są maleńkie, ale w materiałach o takiej strukturze widać ich wpływ wyraźnie – i można go dokładnie zmierzyć.
Zjawisko to nie jest tylko ciekawostką fizyczną. Pokazuje, że światło może być narzędziem do sterowania materią, a nie tylko jej badania. W praktyce oznacza to zupełnie nowy sposób projektowania urządzeń optycznych i elektronicznych. Jeżeli światło może zmieniać strukturę materiału w czasie rzeczywistym, można wyobrazić sobie przełączniki, czujniki i lasery, które same dostrajają się do warunków pracy.
Jak podkreśla prof. Shengxi Huang z Rice University, współautorka badania:
Możliwość aktywnego sterowania materiałami światłem otwiera drogę do nowej generacji chipów fotonicznych, ultrasensywnych detektorów i źródeł światła kwantowego. To technologie, które pozwolą przetwarzać dane szybciej i z mniejszym zużyciem energii.
W przyszłości takie układy mogłyby zastąpić część klasycznej elektroniki, w której przepływ elektronów zastąpią fotony. To oznacza szybsze działanie, mniejsze nagrzewanie się i większą wydajność energetyczną.