Учёные обнаружили способ эффективнее управлять движением атомных слоёв в квантовом материале. Для этого достаточно направить на него два лазерных импульса с точно рассчитанной задержкой, а не использовать один более мощный сигнал. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics, о них также сообщает SciTechDaily.
Эксперимент провели специалисты Вюрцбургского и Ростокского университетов, а также Цюрихской высшей технической школы. Объектом работы стал дителлурид вольфрама WTe2 — материал, относящийся к скользящим сегнетоэлектрикам. Его соседние атомные слои могут смещаться в стороны относительно друг друга, подобно двум прижатым ладоням.
Такое движение способно влиять на свойства вещества, включая сегнетоэлектрические характеристики и топологию. «Особенно интересно то, что относительное движение атомных слоёв может влиять на целый ряд свойств материала, таких как сегнетоэлектричество и топология», — пояснил первый автор работы Геррит Хорстманн, руководитель младшей исследовательской группы имени Эмми Нетера в Вюрцбургском университете. Изменения происходят за фемтосекунды, то есть за миллионную долю миллиардной доли секунды.
Одиночный лазерный импульс передаёт энергию электронам кристалла, после чего те воздействуют на атомные ядра и приводят их в движение. Однако дальнейшее увеличение мощности не всегда усиливает эффект. «При очень сильном возбуждении электроны переходят на высокоэнергетические состояния, которые противодействуют направленному движению атомов. Дополнительная энергия света уже не вызывает соответствующего увеличения смещения атомных слоёв, а фактически замедляет их», — отметил Хорстманн.
Исследователи разделили энергию между двумя менее мощными импульсами, подаваемыми через определённый промежуток времени. После первого воздействия электроны успевают частично расслабиться, а второй импульс при правильно выбранной задержке усиливает скольжение атомных слоёв, подобно толчку качелей в нужный момент. «Время открывает дополнительную возможность оптимально использовать взаимодействие между электронами и движением атомов», — сказал Хорстманн.
Новый подход может в будущем помочь переключать полезные свойства материалов, включая сегнетоэлектрическую поляризацию, с меньшими энергетическими затратами. Особенно перспективным он может оказаться для сверхтонких веществ вроде WTe2, состоящих всего из нескольких атомных слоёв и рассматриваемых для компактной электроники. Авторы сформулировали главный принцип метода так: «Работайте умнее, а не усерднее!»