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.

***

Marcin Syperek, Raul Stühler, Armando Consiglio, Paweł Holewa, Paweł Wyborski, Łukasz Dusanowski, Felix Reis, Sven Höfling, Ronny Thomale, Werner Hanke, Ralph Claessen, Domenico Di Sante, Christian Schneider. Observation of room temperature excitons in an atomically thin topological insulator. Nature Communications 13, 6313 (2022).