Помітно, що сильний лазер висвітлює матеріал у низькотемпературній камері. Лазер використовується для зміни ступеня прозорості матеріалу. Авторство: Caltech / David Hsieh Laboratory
Уявіть собі вікна, які легко трансформуються в дзеркала, або надшвидкісні комп’ютери, які працюють не на електронах, а на світлі. Це лише деякі з потенційних застосувань, які можуть виникнути з оптичної інженерії, практики використання лазерів для швидкої та тимчасової зміни властивостей матеріалів.
«Ці інструменти можуть дозволити вам змінити електронні властивості матеріалів одним натисканням вимикача», — каже професор фізики Каліфорнійського технологічного університету Девід Хсі. «Але технології були обмежені проблемою лазерів, які виділяють занадто багато тепла в матеріалах».
У новому дослідженні в природа, Се і його команда, включаючи провідного автора та аспіранта Джуньі Шаня, повідомляють про успіхи у використанні лазерів для різкого моделювання властивостей матеріалів без надлишку шкідливого тепла.
«Лазери, необхідні для цих експериментів, дуже потужні, тому важко не нагріти й не пошкодити матеріали», — каже Шан. «З одного боку, ми хочемо, щоб матеріал піддавався дуже інтенсивному лазерному випромінюванню. З іншого боку, ми не хочемо, щоб матеріал взагалі поглинав це світло».
Команда знайшла «солодке місце», щоб обійти це, каже Шан, де частота лазера точно налаштована таким чином, щоб помітно змінювати властивості матеріалу без виділення небажаного тепла.
Джуньі Шан. Авторство: Caltech
Вчені також кажуть, що знайшли ідеальний матеріал для демонстрації цього методу. Матеріал, напівпровідник під назвою трисульфід фосфору марганцю, природно поглинає лише невелику кількість світла в широкому діапазоні інфрачервоних частот. Для своїх експериментів Се, Шан і його колеги використовували інтенсивні інфрачервоні лазерні імпульси, кожен тривалістю приблизно 10-13 секунд, щоб швидко змінити енергію електронів всередині матеріалу. В результаті матеріал перейшов із дуже непрозорого стану до високопрозорого для певних кольорів світла.
Ще важливішим, за словами дослідників, є те, що процес є оборотним. Коли лазер вимикається, матеріал миттєво повертається до початкового стану повністю неушкодженим. Це було б неможливо, якби матеріал поглинув світло лазера і нагрівся, тому що матеріал займає багато часу, щоб розсіювати тепло. Маніпуляція без нагрівання, що використовується в новому процесі, відома як «когерентна оптична інженерія».
Метод працює, оскільки світло змінює різницю між енергетичними рівнями електронів у напівпровіднику (так звані заборонені зони), не перекидаючи самі електрони на різні енергетичні рівні, що генерує тепло.
Девід Хсі. Авторство: Caltech
«У вас ніби є човен, а потім набігає велика хвиля і енергійно розгойдує човен вгору-вниз, не змушуючи нікого з пасажирів впасти», — пояснює Се. «Наш лазер енергійно розгойдує енергетичні рівні матеріалу, і це змінює властивості матеріалів, але електрони залишаються на місці».
Раніше дослідники висловлювали теорію, як працюватиме цей метод. Наприклад, у 1960-х роках випускник Каліфорнійського технологічного університету Джон Х. Ширлі (доктор філософії ’63) висунув математичні ідеї про те, як розрахувати енергетичні рівні електронів у матеріалі в присутності світла. Спираючись на цю роботу, команда Хсі співпрацювала з теоретиками Менсіном Є та Леоном Балентсом з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, щоб розрахувати очікувані ефекти лазерного освітлення трисульфіду фосфору марганцю. Теорія порівняла експерименти з «чудовим» точність, каже Се.
Результати, за словами Се, означають, що тепер інші дослідники потенційно можуть використовувати світло для штучного створення матеріалів, таких як екзотичні квантові магніти, які в іншому випадку було б важко або навіть неможливо створити природним шляхом.
«В принципі, цей метод може змінити оптичні, магнітні та багато інших властивостей матеріалів», — каже Шан. «Це альтернативний спосіб матеріалознавства. Замість того, щоб створювати нові матеріали для реалізації різних властивостей, ми можемо взяти лише один матеріал і в кінцевому підсумку надати йому широкий спектр корисних властивостей».
Довідка: «Гігантська модуляція оптичної нелінійності за допомогою Floquet Engineering» Джун-Ї Шаня, М. Є, Х. Чу, Сонмін Лі, Дже-Геун Парк, Л. Баленц та Д. Сі, 8 грудня 2021 р., природа.
DOI: 10.1038/s41586-021-04051-8
Дослідження було профінансовано Управлінням досліджень армії; Фонд Девіда і Люсіль Пакард; Національний науковий фонд через Інститут квантової інформації та матерії в Каліфорнійському технологічному університеті та через UC Santa Barbara; фонд Гордона і Бетті Мур; і Національний дослідницький фонд Кореї. Серед інших авторів — Хао Чу (доктор філософії ’17), а також Сонмін Лі та Дже-Геун Парк із Сеульського національного університету.
