Na łamach Nature Communications ukazał się artykuł opisujący przełomowe odkrycie na polu badań kwantowych: po raz pierwszy w historii udało się uzyskać ekscytony w izolatorze topologicznym. Ten sukces to m.in. zasługa grupy naukowców z PWr pod kierunkiem dr. hab. inż. Marcina Syperka, prof. uczelni.
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?
Odpowiedź na to ważne pytanie przygotował w swoim artykule „Observation of room temperature excitons in an atomically thin topological insulator” międzynarodowy zespół naukowców. W jego skład weszli przedstawiciele klastra badawczego ct.qmat, zawiązanego m.in. z niemieckimi Uniwersytetami w Würzburgu i Dreźnie (Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat), zespół z Uniwersytetu w Bolonii oraz naukowcy z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki PWr: prof. Marcin Syperek, a także doktoranci Paweł Holewa, Paweł Wyborski oraz dr inż. Łukasz Dusanowski (odbywający staż na Uniwersytecie w Würzburgu.
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.
Prof. Marcin Syperek z Katedry Fizyki Doświadczalnej, lider polskiego zespołu: – 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.
Takie rozwiązanie dałoby więc 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 – mówi 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 – dodaje prof. Marcin Syperek.
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.
Ekscytony (czerwona i niebieska kula, połączone pętlą, 3 kopie o losowej orientacji) na sieci bizmutenu (ciemne kulki ułożone w strukturę plastra miodu), a podświetlenie krawędzi ilustruje lokalizację krawędziowych stanów topologicznych. Bizmuten leży na podłożu z węgliku krzemu SiC. Rys. Paweł Holewa
- Nasi koledzy z Uniwersytetu w Bolonii i Uniwersytetu w Würzburgu założyli, że tego typu materiał może aktywnie oddziaływać ze światłem – mówi prof. Marcin Syperek.
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.
Polska specjalność
Grupa prof. Marcina 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 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 te otwierają nowy zakres studiów nad optycznie kontrolowalną materią topologiczną zarówno w aspekcie fundamentalnym, jak i aplikacyjnym.