Представьте, что вы можете взять обычный материал, например, кусочек полупроводника, и нажатием кнопки наделить его свойствами сверхпроводника или уникального магнита. Звучит как фантастика, но именно к этому ведут последние открытия в квантовой физике. Недавно международная команда ученых из Окинавского института науки и технологии (OIST) и Стэнфордского университета совершила тихую революцию. Они нашли способ обойти главные препятствия на пути так называемой «флоке-инженерии» — области, которая как раз и занимается временным изменением свойств вещества. И сделали они это, заменив мощные лазеры на нечто более изящное и скрытое внутри самого материала — экситоны. Этот прорыв может перевернуть наши представления о создании новых материалов для электроники будущего.
Почему лазерный метод оказался тупиковым? История о грубой силе.
Давайте разберемся, в чем была проблема старого подхода. В основе флоке-инженерии лежала красивая идея: если направить на материал сверхмощный и сверхбыстрый лазерный импульс, можно «взболтать» его внутреннюю электронную структуру. Представьте энергетические уровни, на которых живут электроны в кристалле, как этажи в здании. Лазерный свет, действуя как периодическая встряска, мог виртуально «смешивать» эти этажи, создавая на короткое время гибридные состояния с новыми свойствами. Казалось бы, вот он, инструмент для квантовой алхимии! Однако в реальности всё упиралось в физические ограничения. Свет, а точнее фотоны, очень слабо взаимодействует с электронами в глубине материала. Чтобы добиться нужного эффекта, ученым приходилось увеличивать мощность до чудовищных величин.
Это было похоже на попытку настроить тончайший механизм часов с помощью кузнечного молота. Образцы в таких экспериментах катастрофически нагревались и быстро разрушались. Созданные флоке-состояния жили считанные пикосекунды — это триллионные доли секунды. Профессор Андреа Кавальери, известный специалист по сверхбыстрой физике, как-то точно заметил: «Основная дилемма заключалась в том, что для достижения сильного взаимодействия нужна высокая энергия, но эта же энергия уничтожает объект исследования». Этот тупик и сдерживал развитие технологии долгие годы. Ученые понимали, что нужен принципиально иной «инструмент», который мог бы воздействовать на электроны материала изнутри, более точно и без разрушительных побочных эффектов.
Экситоны: внутренние «кукловоды» материи.
И тут на сцене появляются экситоны. Что это такое? Когда полупроводник поглощает свет, в нем может возникнуть интересная связанная пара: электрон, выбитый на более высокий энергетический уровень, и «дырка» — положительный заряд, который он оставил на своем старом месте. Эта неразлучная парочка, электрон и дырка, связанная силами притяжения, и есть экситон. Это не настоящая частица вроде электрона, а «квазичастица» — удобное понятие для описания коллективного возбуждения внутри материала. И что самое важное — экситоны рождаются и живут внутри кристаллической решетки, тесно с ней взаимодействуя.
Исследователи из OIST и Стэнфорда задались гениально простым вопросом: а что, если использовать для флоке-инженерии не внешний лазерный свет, а эти внутренние экситоны? Они провели эксперимент на кристалле диселенида вольфрама, создав в нем экситоны с помощью более мягкого лазерного импульса. А затем, с помощью сложнейшего метода TR-ARPES (сверхбыстрой фотоэмиссионной спектроскопии), они смогли в реальном времени увидеть, что происходит с энергетической структурой материала. Результат был ошеломляющим. Они обнаружили устойчивое формирование гибридных зон с характерной дисперсией, которую физики называют «мексиканской шляпой» — это когда график зависимости энергии от импульса имеет плоскую вершину и загнутые края.
Ключевое слово здесь — «устойчивое». Экситоны вызывали нужные изменения при энергии возбуждения в тысячи раз меньшей, чем требовалась для лазерного метода. Как пояснил для пресс-релиза OIST доктор Кенширо Танада: «Мы используем внутреннюю энергию самого материала, а не пытаемся внести ее извне огромными порциями». Это значит, что образец почти не нагревался, а новое квантовое состояние жило существенно дольше. Эксперимент перевел флоке-инженерию из разряда скоротечных феноменов в область более стабильных и контролируемых явлений, с которыми уже можно работать.
Будущее, которое мы сможем программировать.
Успех с экситонами — это только первая ласточка. Ученые полагают, что аналогичную роль «внутренних рычагов» могут играть и другие квазичастицы-бозоны. Фононы (кванты колебаний решетки) могут стать идеальным инструментом для управления теплопроводностью или сверхпроводимостью. Плазмоны (коллективные колебания электронного «газа») — для точной настройки оптических свойств наноустройств. Фактически, речь идет о создании целого «конструкторского набора» для материалов будущего. Исследователь сможет выбирать, каким именно «агентом» — экситоном, фононом или плазмоном — воздействовать на материал, чтобы получить нужный эффект.
Какие перспективы это открывает? Самые смелые. Можно представить процессор, чья архитектура не вытравлена в кремнии навсегда, а может динамически перестраиваться под конкретную задачу, становясь то более энергоэффективным, то более производительным. Или создание материалов с «программируемой» проводимостью, которые по команде переключаются из состояния изолятора в состояние проводника. Это имеет огромное значение и для квантовых технологий, где главный вызов — это создание стабильных и управляемых кубитов. Экситонные методы могут предложить для них новую, более надежную физическую платформу.
Конечно, до коммерческих применений еще далеко. Нужно научиться с ювелирной точностью контролировать плотность и расположение экситонов в материале, подбирать идеальные пары «материал-возбуждение», разрабатывать технологии масштабирования. Однако, как отмечается в научном обзоре в журнале «Science», предложенный подход — это настоящая «смена парадигмы». Он перемещает флоке-инженерию из области фундаментальных физических экспериментов в практическую плоскость, открывая путь к эре «программируемой материи». Остается только следить за новостями из лабораторий — следующий прорыв может случиться уже завтра.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
