Po raz pierwszy w historii naukowcom udało się uzyskać ekscytony w izolatorze topologicznym. Udział w tym przełomowym odkryciu mają też badacze Politechniki Wrocławskiej.
Zsyntezowana niedawno nowa klasa atomowo-cienkich materiałów, zwanych izolatorami topologicznymi, może znaleźć zastosowanie w superenergooszczędnych układach elektronicznych z efektami kwantowymi. Czy jednak może ona efektywnie oddziaływać ze światłem? Odpowiedzi na to pytanie szukał międzynarodowy zespół naukowców z udziałem uczonych z Uniwersytetu w Würzburgu, Uniwersytetu w Dreźnie, Uniwersytetu w Bolonii oraz z Politechniki Wrocławskiej. Ich odkrycie może doprowadzić do powstania nowych, kontrolowanych światłem, podzespołów dla komputerów kwantowych.
Nowe, fascynujące materiały
Izolatory topologiczne – szczególnie te, o grubości pojedynczych atomów – to nowa klasa materiałów, która może dokonać rewolucji w badaniach i aplikacjach topologicznej materii kwantowej. Fascynujące właściwości tego materiału związane są m.in. z niezaburzonym przepływem ładunku elektrycznego na jego krawędziach, podczas gdy wnętrze ma właściwości izolujące, czyli nie przewodzi ładunków.
Pozostawiając bez omówienia kwantowe zjawiska występujące na krawędzi materiału, możemy powiedzieć, że przepływ ładunku elektrycznego w tamtym miejscu nie wywołuje generacji ciepła i strat energii. Zatem urządzenia elektroniczne, procesory czy pamięci zbudowane na bazie tego materiału potencjalnie nie muszą używać układów chłodzenia, jak to ma miejsce w stosowanych dzisiaj konwencjonalnych układach elektronicznych – tłumaczy kierownik polskiego zespołu prof. Marcin Syperek z Katedry Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki PWr.
Takie rozwiązanie dałoby zarówno oszczędności w zużyciu energii, jak i zapewniłoby efektywniejsze jej wykorzystanie. Do tej pory koncepcja zastosowania izolatorów topologicznych bazowała na użyciu napięcia elektrycznego do kontroli przepływu ładunku, tak jak w konwencjonalnych układach elektronicznych. Innowacyjnym pomysłem jest wykorzystanie światła do kontroli procesów fizycznych zachodzących w tym materiale.
Optyczna kontrola ładunku lub innych stanów materii mogłaby prowadzić do powstania zupełnie nowej klasy urządzeń optyczno-elektronicznych, bazujących na izolatorach topologicznych – przekonuje prof. Marcin Syperek.
Najszybszym nośnikiem informacji jest światło i to ono może być wykorzystane w procesie ultraszybkiego transferu danych pomiędzy podjednostkami obliczeniowymi, zbudowanymi w oparciu o izolator topologiczny. To z kolei może doprowadzić do budowy superszybkich i energetycznie wydajnych procesorów i pamięci, dodatkowo wspieranych przez naturę kwantową światła i stanów na krawędziach izolatora topologicznego.
Międzynarodowa koalicja
To, jak optycznie generować i kontrolować ładunek w obszarze krawędzi materiału topologicznego, pozostaje wciąż kwestią nierozwiązaną. Jednak najpierw należało ustalić, czy w ogóle możliwe jest efektywne oddziaływanie światła z izolatorem topologicznym. Naukowcy z Würzburga i Drezna są pionierami w syntezie fizycznej atomowo-cienkich materiałów należących do klasy izolatorów topologicznych. Dla potrzeb badań zajęli się zsyntezowaniem izolatora topologicznego w postaci pojedynczej warstwy atomów bizmutu, zwanej bizmutenem, ułożonej na podłożu z węglika krzemu. Fotony pochłaniane przez izolator topologiczny tworzą w obszarze izolacyjnym materiału kwazicząstki zwane ekscytonami – elektrostatycznie oddziałujące pary elektronu i przeciwnie naładowanego partnera, zwanego dziurą.
Naszym zadaniem było udowodnienie tej hipotezy za pomocą optycznych technik eksperymentalnych – wyjaśnia naukowiec PWr.
Polska specjalność
Grupa prof. Syperka specjalizuje się w zdobywaniu informacji o materiałach używając do tego celu światła. Ich wiedza ekspercka w tym zakresie była kluczowa w prowadzonych przez uczonych z Uniwersytetu w Würzburgu badaniach oraz dobrze znana ze wcześniejszej współpracy, stąd propozycja dołączenia do międzynarodowego zespołu naukowego.
Ciekawostką jest fakt, że naszym kolegom z Niemiec nie udawało się dokonać optycznej generacji i obserwacji ekscytonów w izolatorze topologicznym używając znanych i popularnych dziś metod optycznych stosowanych do ultracienkich materiałów – mówi prof. Marcin Syperek. – My sięgnęliśmy po technikę eksperymentalną, o której dziś niewiele osób pamięta i potrafi użyć – periodycznie modulowane odbicie światła.
Historia tej techniki badawczej na Politechnice Wrocławskiej sięga początków rozwoju metod optycznych badania materiałów w uczelnianym Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur. Badania politechnicznego zespołu w pełni potwierdziły teorię, że możliwe jest efektywne oddziaływanie światła z atomowo-cienką materią topologiczną.
Oświetlając materiał światłem podczerwonym, niewidocznym dla ludzkiego oka, udało się nam po raz pierwszy wytworzyć ekscytonowe kwazicząstki w temperaturze pokojowej i zbadać ich niektóre właściwości – opowiada prof. Marcin Syperek.
Wyniki prac międzynarodowego zespołu ukazały się na łamach Nature Communications.
źródło: PWr