當以正確的方式排列時，二維材料可以表現出不尋常且有價值的量子效應，例如超導性和奇異類型的磁性。了解這些效應發生的原因以及如何控制它仍然是物理學家和工程師面臨的最大挑戰之一。一項新研究發表於 自然物理學 發現了前所未見的特性，可以解釋這些神秘的量子相如何形成和演化。
研究人員利用新的太赫茲（THz）光譜發現了世界各地實驗室常用的二維材料薄層。當然，可以產生所謂的空腔。這些微小區域將光和電子限制在一個小區域內。這極大地改變了他們的互動和行為。
哥倫比亞大學物理學助理教授、該論文的作者之一詹姆斯·麥基弗（James McIver）表示：“我們在量子材料中發現了隱藏的控制層，並開闢了一條塑造光與物質相互作用的道路，這可以幫助我們理解物質的奇異相，並最終控制它們以用於未來的量子技術。”
這項工作起源於漢堡，麥克萊弗領導著馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所 (MPSD) 的一個研究小組。該研究所是馬克斯·普朗克紐約非平衡量子現像中心的一部分。這是 MPSD、哥倫比亞大學、Flatiron Institute 和康奈爾大學之間的合作。該中心的研究人員研究穩定的物理系統在失去平衡時如何反應。
McIver 的團隊通過光探索這些問題，光是一種“具有顯著微觀特性的二維材料”。通常就像一個黑匣子，通過將光照射到它們上，我們現在能夠真正揭示它們電子的隱藏行為。 MPSD 博士生、該論文的第一作者 Gunda Kipp 表示：“它揭示了原本可能看不見的細節。”然而，一個障礙是探測 2D 材料所需的光波長比材料本身大得多，而材料比人的頭髮細得多。
為了克服這種程度的不匹配，研究人員開發了一種芯片大小的分光鏡，可以將太赫茲光（量子效應發生的範圍）從約 1 毫米壓縮到僅 3 微米。這種緊湊的設計使得直接觀察二維材料內電子的運動成為可能。他們首先使用石墨烯測試了該方法。這是一種眾所周知的碳形式 用於測量光的電導率
他們的發現是出乎意料的：清晰的駐波。
“光可以與電子配對產生準粒子，這些準粒子可以是混合光準粒子。它們以波的形式運動，在某些條件下，它們可以像吉他弦上的駐波一樣被限制，從而產生清晰的音符，”MPSD 博士後研究員兼共同第一作者 Hope Bretscher 解釋道。
在吉他中，琴弦的固定端決定了波發生的位置。將手指按在琴弦上可以縮短波形。當兩個鏡子在它們之間捕捉光線時，會發生類似的過程。這會在科學家所說的空腔內產生駐波。當材料放置在腔體內時，捕獲的光可以反復與材料相互作用，從而改變材料的電子特性。
然而，研究人員發現鏡子甚至可能不是必需的。
“我們發現材料的邊緣已經起到了鏡子的作用，”基普說。通過太赫茲光譜，他們觀察到一束受激電子從邊緣反射，形成混合光物質的準分區，稱為等離子極化子。
McIver 實驗室研究由多層組成的設備。每層都可以充當間隔幾十納米的空腔。每層中產生的等離激元可以彼此劇烈相互作用。 “這就像將兩根吉他弦連接在一起。連接後音符會發生變化，”布雷徹說。 “就我們而言，情況發生了很大變化。”
下一步是了解是什麼決定了這些準粒子的頻率以及光和物質的緊密程度如何？ “我們與共同作者、MPSD 博士後研究員 Marios Michael 一起開發了一種分析理論，只需幾個幾何樣本參數即可匹配我們的實驗觀察結果，”Kipp 說。 “只需點擊一個按鈕。我們的理論可以提取材料特性。它將幫助我們設計和調整未來的樣品以實現特定特性，例如通過跟踪作為載流子密度、溫度或磁場函數的共振。我們可能已經發現了驅動不同量子相的機制。”
雖然這項研究的重點是等離子體，但新型芯片級太赫茲光譜儀可以檢測在許多不同的二維材料中振動的其他類型的準粒子。該團隊正在漢堡和紐約測試新樣品。
“整個項目是一個偶然的發現。我們沒想到會看到這些空腔的結果。但我們很高興能用它來操縱未來量子材料中的現象，”布雷徹說。 “現在我們有了觀察它們的技術。我們也有興趣了解它們如何影響其他材料和距離。”
