Impuls światła uderza w strukturę złożoną zaledwie z kilku atomowych warstw, a te – zamiast pozostać nieruchome – zaczynają się fizycznie skręcać. Zjawisko trwa krócej niż bilionowa część sekundy, jednak naukowcom udało się je uchwycić dzięki ultrakrystalicznemu rozpraszaniu elektronów, jednej z najszybszych dostępnych technik obrazowania ruchów atomów.
Czytaj też: Światło, które porusza atomy. Nowe odkrycie może zmienić przyszłość elektroniki
Badacze z Cornell University i Stanford University zaobserwowali w ten sposób, jak światło wywołuje rzeczywistą deformację charakterystycznych dla materiałów moiré. To pierwszy bezpośredni dowód, że impulsy laserowe mogą dynamicznie zmieniać ułożenie atomów, a tym samym potencjalnie sterować właściwościami kwantowych materiałów opisywanych wcześniej głównie teoretycznie.
Jak światło wygina materię
Materiały moiré to układy zbudowane z dwóch (lub więcej) ultracienkich warstw – najczęściej materiałów 2D, takich jak grafen czy dichalkogenki metali przejściowych – które są względem siebie delikatnie obrócone albo mają nieznacznie różne okresy sieci krystalicznej. Gdy takie warstwy na siebie nałożymy, ich atomowe “szachownice” nakładają się w sposób nieidealny, tworząc duże, powtarzalne wzory interferencyjne nazywane superkratą moiré. Teraz po raz pierwszy udało się zaobserwować, jak światło może manipulować ich strukturą.
Czytaj też: Światło uwięzione w mozaice Penrose’a. Powstał pierwszy kwazikryształ polarytonowy
Przez lata panowało przekonanie, że po ustawieniu materiałów moiré pod określonym kątem ich struktura pozostaje statyczna. Badania zespołu Jareda Maxsona z Cornell i Fang Liu ze Stanford całkowicie podważyły tę teorię. Okazuje się, że atomy wewnątrz każdej komórki moiré wykonują rodzaj tańca w kółko, reagując na impulsy świetlne w sposób wcześniej nieobserwowany.
W eksperymencie wykorzystano warstwy WSe2/MoSe2 skręcone o 2 i 57 stopni. Po wzbudzeniu światłem femtosekundowym struktura rozpoczęła koherentny ruch skręcania i rozkręcania. Analizy wykazały modulację lokalnego kąta skręcenia o 0,6 stopnia, skorelowaną z fononem moiré o częstotliwości poniżej teraherca. Za ten ruch odpowiada ultraszybki transfer ładunku, który przejściowo zwiększa przyciąganie międzywarstwowe.
Kluczową rolę w sukcesie eksperymentu odegrała technika ultraszybkiej dyfrakcji elektronów oraz detektor EMPAD skonstruowany w Cornell. To narzędcie, pierwotnie zaprojektowane do obrazowania statycznego, wykorzystano w zupełnie nowy sposób – jako niezwykle czułą kamerę rejestrującą ruch atomów w czasie rzeczywistym. Metoda polega na wystrzeliwaniu intensywnych impulsów elektronów w próbkę tuż po uderzeniu jej impulsem lasera. Takie podejście pompowania i sondowania ujawnia, jak atomy przemieszczają się w czasie. Większość detektorów rozmazałaby subtelny sygnał, ale EMPAD pozwolił uchwycić niezwykle delikatne cechy zjawiska, które normalnie ginęłyby w szumie.
Cameron Duncan, który jako doktorant w grupie Maxsona zbierał dane, nadal odgrywa kluczową rolę w analizie i rekonstrukcji ruchu atomowego ze złożonych wzorców dyfrakcyjnych. Zespół zmodyfikował własnoręcznie zbudowany sprzęt specjalnie w celu zwiększenia jego zdolności rozdzielczej, co okazało się decydujące dla wykrycia ultraszybkiego sygnału moiré.
Sukces projektu był możliwy dzięki ścisłej współpracy między obydwoma ośrodkami badawczymi. Cornell dostarczył narzędzia i przeprowadził eksperyment, podczas gdy Stanford w laboratorium Fang Liu stworzył specjalnie zaprojektowane materiały moiré niezbędne do badań. Bez odpowiednich materiałów i wiedzy, jak je wytworzyć, nawet najlepszy sprzęt nie przyniósłby oczekiwanych rezultatów.
Wyniki badań, opisane w Nature, mogą prowadzić do ultraszybkiej kontroli okresowych zniekształceń sieci moiré i lokalnego potencjału moiré, który kształtuje ekscytony, polarony i zachowania napędzane korelacją. Odkrycie pokazuje, że układając i skręcając atomowo cienkie warstwy, można zmieniać zachowanie materiału – przekształcić go w nadprzewodnik lub sprawić, że elektrony będą zachowywać się w nietypowy sposób.
Teraz naukowcy wiedzą, że można dynamicznie wzmacniać to skręcanie światłem i obserwować proces w czasie rzeczywistym. Zespół planuje dalsze badania z nowymi próbkami moiré, aby pogłębić zrozumienie aktywnej kontroli zachowań kwantowych. Projekt był wspierany przez Department of Energy, National Science Foundation i Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), co pokazuje strategiczne znaczenie tych badań dla przyszłych technologii.