Exciton multipolarity controls coherent and squeezed phonons in van der Waals heterostructures

في العالم غير المرئي للذرات، لا تسكن المادة أبدًا حقًا. فحتى في كتلة معدنية صلبة أو شريحة رقيقة من الكريستال، تكون الذرات في حالة تذبذب مستمر، تهتز في أنماط إيقاعية تُعرف باسم الفونونات. لعدة عقود، أدرك العلماء أنه عندما يصطدم الضوء بمادة ما، يمكنه دفع هذه الذرات إلى إيقاع مسير متزامن يُسمى الاهتزاز المتماسك، تمامًا مثل حشد من الناس يخطون بانسجام تام. وتعد هذه الظاهرة حاسمة لمستقبل الإلكترونيات والاستشعار فائق السرعة، لأنها تسمح للباحثين بالتحكم في بنية المواد نفسها باستخدام الضوء. ومع ذلك، فإن نوعًا محددًا من الاهتزاز، وهو النوع الذي لا تسير فيه الذرات في خطى منتظمة بل تتذبذب بدلاً من ذلك في نمط أكثر تعقيدًا ومضغوطًا، ظل من الصعب توليده والتحكم فيه عند الطلب. وكان التحدي يكمن في إيجاد طريقة موثوقة للتبديل بين هاتين الحالتين المتميزتين من الحركة الذرية دون تغيير المادة نفسها.

لقد حدد فريق من الباحثين الآن مفتاحًا بسيطًا يمكنه التبديل بين هاتين الحالتين من الاهتزاز الذري في نوع معين من المواد الاصطناعية. فمن خلال تكدیس طبقات رقيقة من اثنين من أشباه الموصلات، وهما ثاني أكسيد الموليبدينوم والسيلينيوم وثاني أكسيد التنغستن والسيلينيوم، أنشأوا بنية حيث يتحكم سلوك الجسيمات الماصة للضوء، والتي تُسمى الإكسيتونات، في كيفية تحرك الذرات. واكتشف الباحثون أن شكل الشحنة الكهربائية داخل هذه الإكسيتونات يعمل كتحكم رئيسي؛ فعندما يكون للإكسيتون توزيع شحنة بسيط ثنائي الأقطاب، فإنه يسحب الطبقات الذرية إلى إيقاع متزامن ومتماسك. ولكن عندما يتخذ توزيع الشحنة شكلًا أكثر تعقيدًا رباعي الأقطاب، تدخل الذرات في حالة مختلفة حيث تتذبذب تقلباتها في الزمن، مما يخلق ما يعرف بالحالة المضغوطة.

استخدم الفريق عمليات محاكاة حاسوبية دقيقة لرسم خريطة توضح بالضبط كيفية تفاعل هذه الطبقات. وقد قاموا بنمذجة هياكل تتراوح سماكتها من طبقتين إلى أربع طبقات، مع التناوب بين المادتين لإنشاء هيكل "فان دير فالس" غير متجانس. وفي بنية مكونة من طبقتين، يشكل الإكسيتون طبيعيًا ثنائي قطب بسيط، حيث تنفصل الشحنات الموجبة والسالبة عبر الواجهة البينية. وهذا التكوين يقترن مباشرة بنمط "التنفس" للطبقات، مما يجعلها تتمدد وتتقلص في موجة ثابتة ومتوقعة. ومع ذلك، في بنية مكونة من ثلاث طبقات، يتغير الوضع؛ فبدون أي تأثير خارجي، يشكل الإكسيتون "رباعي أقطاب"، وهو ترتيب أكثر تعقيدًا للشحنات. وفي هذه الحالة، يكون الاقتران بالاهتزازات الذرية مختلفًا؛ فبدلاً من دفع الذرات في مسيرة منتظمة، يتسبب في جعل عدم اليقين في موقعها وزخمها يتذبذب، مما يخلق الحالة المضغوطة.

إن الاكتشاف الأكثر أهمية هو أن هذا المفتاح ليس دائمًا. فقد أظهر الباحثون أنه من خلال تطبيق مجال كهربائي رأسي، يمكنهم إجبار إكسيتون "رباعي الأقطاب" المعقد على التحول إلى "ثنائي قطب" بسيط. ففي بنية مكونة من ثلاث طبقات من ثاني أكسيد التنغستن والسيلينيوم وثاني أكسيد الموليبدينوم والسيلينيوم، يهتز نمط التنفس بتردد 1.04 تيراهرتز. وعند انعدام المجال الكهربائي، يوجد هذا الاهتزاز في حالة مضغوطة. ولكن عندما طبق الباحثون مجالاً كهربائيًا محددًا، تغيرت طبيعة الإكسيتون، وتحول الاهتزاز فورًا إلى حالة متماسكة. وهذا يعني أن المادة الفيزيائية نفسها يمكن جعلها تنتج نوعين مختلفين جوهريًا من الحركة الكمومية ببساطة عن طريق تشغيل أو إيقاف الجهد الكهربائي.

وكشفت عمليات المحاكاة أن هذا التحكم يعمل لأن المجال الكهربائي يغير مشهد الطاقة للإلكترونات والثقوب داخل الطبقات. ففي النظام المكون من ثلاث طبقات، يخلط المجال بين الترتيبات المختلفة الممكنة للإكسيتون، مما يحول فعليًا نمط الشحنة رباعي الأقطاب إلى نمط ثنائي الأقطاب. وهذا الانتقال يغير كيفية تفاعل الإكسيتون مع اهتزازات الشبكة؛ حيث يحل التفاعل الخطي الذي يدفع الحركة المتماسكة محل التفاعل التربيعي الذي يدفع الضغط. وقد حسب الباحثون أن قوة هذه الاهتزازات ودرجة الضغط تضاهي تلك الملاحظة في المواد الضخمة المعروفة مثل البزموت، مما يشير إلى أن هذه التأثيرات قوية وقابلة للقياس.

يوفر هذا العمل مبدأ تصميم واضحًا للمهندسين الذين يرغبون في بناء أجهزة تتحكم في الضوء والصوت على المقياس الذري. ففي السابق، اعتمدت طرق ضبط هذه الاهتزازات على تغيير عدد الطبقات أو التركيب الكيميائي للمادة، وهي تغييرات دائمة. أما هذا النهج الجديد فيقدم مفتاحًا ديناميكيًا وعكسيًا. وتعد القدرة على توليد الفونونات المضغوطة ذات قيمة خاصة لأن هذه الحالات يمكن أن تقلل من الضوضاء الكمومية، وهي حد أساسي في القياس الدقيق. وإذا أمكن تحقيق هذا التحكم في بيئة مختبرية، فقد يؤدي ذلك إلى أنواع جديدة من المستشعرات القادرة على اكتشاف الإشارات الضعيفة للغاية، أو مفاتيح فائقة السرعة للحوسبة تعمل بسرعات التيراهرتز.

كما توضح الدراسة كيف تتصرف أعداد الطبقات المختلفة. فبينما أظهرت البنية المكونة من ثلاث طبقات تحولًا دراماتيكيًا من الحالات المضغوطة إلى المتماسكة، أظهرت البنية المكونة من أربع طبقات استجابة أكثر تعقيدًا مع احتمالات متعددة لتكوينات الشحنة. وهذا يشير إلى أنه كلما زاد سمك المواد، أصبحت قواعد التحكم في هذه الاهتزازات أكثر ثراءً، مما يوفر إمكانيات أكبر للضبط. ويقترح الباحثون أنه يمكن ملاحظة هذه التأثيرات تجريبيًا باستخدام حيود الأشعة السينية فائقة السرعة أو حيود الإلكترونات، والتي يمكنها التقاط لقطات للمواضع الذرية، أو من خلال الانعكاسية العابرة، التي تقيس كيفية انعكاس الضوء عن سطح المادة أثناء تغيرها.

ومن خلال ترسيخ حقيقة أن تعدد أقطاب الإكسيتون — سواء كان ثنائي قطب بسيط أو رباعي أقطاب معقد — هو ما يتحكم في طبيعة الفونون الناتج، فقد فتح الباحثون مسارًا جديدًا للتحكم في الحالات الكمومية في المواد الصلبة. إن هذا الاكتشاف يتجاوز مجرد مراقبة هذه الظواهر إلى هندستها فعليًا. وهو يشير إلى أن مستقبل التكنولوجيا الكمومية قد لا يكمن فقط في إيجاد مواد جديدة، بل في تعلم كيفية ضبط البنية الداخلية للمواد الموجودة كهربائيًا لإنتاج النوع المحدد من الحركة الذرية المطلوبة لمهمة معينة. إن القدرة على التبديل بين الحالات المتماسكة والمضغوطة على شريحة واحدة قد تمكن في النهاية من تطوير تقنيات تعمل بسرعات وحساسيات كانت تُعتبر في السابق مستحيلة.