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

Nel mondo invisibile degli atomi, la materia non è mai veramente ferma. Anche in un blocco solido di metallo o in un sottile foglio di cristallo, gli atomi si agitano costantemente, vibrando in schemi ritmici noti come fononi. Per decenni, gli scienziati hanno compreso che quando la luce colpisce un materiale, può dare una spinta a questi atomi verso un ritmo sincronizzato e marziale chiamato vibrazione coerente, molto simile a una folla di persone che marcia all'unisono. Questo fenomeno è cruciale per il futuro dell'elettronica ultrafast e della sensoristica, poiché consente ai ricercatori di manipolare la struttura stessa dei materiali con la luce. Tuttavia, un tipo specifico di vibrazione, in cui gli atomi non marciano all'unisono ma invece fluttuano in un modello più complesso e "squeezed" (comprimuto), è rimasto difficile da generare e controllare su richiesta. La sfida è stata trovare un modo affidabile per passare tra questi due distinti stati di movimento atomico senza cambiare il materiale stesso.

Un team di ricercatori ha ora identificato un semplice interruttore in grado di alternare tra questi due stati di vibrazione atomica in un tipo specifico di materiale artificiale. Sovrapponendo sottili strati di due diversi semiconduttori, diselenuro di molibdeno e diselenuro di tungsteno, hanno creato una struttura in cui il comportamento delle particelle che assorbono la luce, chiamate eccitoni, detta il modo in cui si muovono gli atomi. I ricercatori hanno scoperto che la forma della carica elettrica all'interno di questi eccitoni funge da controllo principale. Quando l'eccitone ha una distribuzione di carica semplice, a due lati, attira gli strati atomici in un ritmo sincronizzato e coerente. Ma quando la distribuzione di carica assume una forma più complessa, a quattro lati, gli atomi entrano in uno stato diverso in cui le loro fluttuazioni oscillano nel tempo, creando quello che è noto come stato "squeezed".

Il team ha utilizzato simulazioni informatiche dettagliate per mappare esattamente come questi strati interagiscono. Hanno modellato strutture che vanno da due a quattro strati di spessore, alternando i due materiali per creare una eterostruttura di van der Waals. In una pila a due strati, l'eccitone forma naturalmente un dipolo semplice, con cariche positive e negative separate attraverso l'interfaccia. Questa configurazione si accoppia direttamente con il modo di "respiro" (breathing mode) degli strati, facendoli espandere e contrarre in un'onda costante e prevedibile. Tuttavia, in una pila a tre strati, la situazione cambia. Senza alcuna influenza esterna, l'eccitone forma un quadrupolo, una disposizione di cariche più complessa. In questo stato, l'accoppiamento con le vibrazioni atomiche è diverso; invece di spingere gli atomi in una marcia costante, causa l'oscillazione della loro incertezza di posizione e momento, creando lo stato "squeezed".

La scoperta più significativa è che questo interruttore non è permanente. I ricercatori hanno dimostrato che applicando un campo elettrico verticale, possono costringere l'eccitone quadrupolare complesso a trasformarsi in un semplice dipolo. In una pila a tre strati di diselenuro di tungsteno, diselenuro di molibdeno e diselenuro di tungsteno, il modo di respiro vibra a 1,04 terahertz. A campo elettrico nullo, questa vibrazione esiste in uno stato "squeezed". Quando i ricercatori hanno applicato un campo elettrico specifico, l'eccitone ha cambiato carattere e la vibrazione è passata istantaneamente a uno stato coerente. Ciò significa che lo stesso materiale fisico può essere reso capace di produrre due tipi fondamentalmente diversi di moto quantistico semplicemente accendendo o spegnendo una tensione.

Le simulazioni hanno rivelato che questo controllo funziona perché il campo elettrico altera il panorama energetico per gli elettroni e le lacune all'interno degli strati. Nel sistema a tre strati, il campo mescola diverse possibili disposizioni dell'eccitone, convertendo efficacementamente il modello di carica a quattro lati in uno a due lati. Questa transizione cambia il modo in cui l'eccitone interagisce con le vibrazioni del reticolo. L'interazione lineare che guida il moto coerente sostituisce l'interazione quadratica che guida lo "squeezing". I ricercatori hanno calcolato che la forza di queste vibrazioni e il grado di "squeezing" sono paragonabili a quelli osservati in materiali massivi ben noti come il bismuto, suggerendo che questi effetti sono robusti e misurabili.

Questo lavoro fornisce un chiaro principio di progettazione per gli ingegneri che desiderano costruire dispositivi che controllino la luce e il suono alla scala atomica. Precedentemente, i metodi per regolare queste vibrazioni si basavano sul cambiare il numero di strati o la composizione chimica del materiale, che sono cambiamenti permanenti. Questo nuovo approccio offre uno switch dinamico e reversibile. La capacità di generare fononi "squeezed" è particolarmente preziosa perché questi stati possono ridurre il rumore quantistico, un limite fondamentale nella misurazione di precisione. Se questo controllo potrà essere realizzato in un ambiente di laboratorio, potrebbe portare a nuovi tipi di sensori capaci di rilevare segnali incredibilmente deboli, o interruttori ultrafast per l'informatica che operano a velocità terahertz.

Lo studio chiarisce anche come si comportano diversi conteggi di strati. Mentre la pila a tre strati ha mostrato un passaggio drammatico dallo stato "squeezed" a quello coerente, la pila a quattro strati ha esibito una risposta più complessa con molteplici possibili configurazioni di carica. Ciò suggerisce che man mano che i materiali diventano più spessi, le regole per controllare queste vibrazioni diventano più ricche, offrendo ancora più possibilità di regolazione. I ricercatori propongono che questi effetti potrebbero essere osservati sperimentalmente utilizzando la diffrazione a raggi X o elettronica ultrafast, che possono catturare istantanee delle posizioni atomiche, o attraverso la riflettività transitoria, che misura come la superficie del materiale riflette la luce mentre cambia.

Stabilendo che la multipolarità di un eccitone — ovvero se sia un semplice dipolo o un complesso quadrupolo — controlla la natura del fonone risultante, i ricercatori hanno aperto una nuova via per manipolare gli stati quantistici nei materiali solidi. Questa scoperta va oltre la semplice osservazione di questi fenomeni, passando alla loro ingegnerizzazione attiva. Suggerisce che il futuro della tecnologia quantistica potrebbe non risiedere solo nel trovare nuovi materiali, ma nell'imparare come sintonizzare elettricamente l'architettura interna di quelli esistenti per produrre l'esatto tipo di moto atomico necessario per un compito specifico. La capacità di passare tra stati coerenti e "squeezed" su un chip potrebbe infine abilitare tecnologie che operano a velocità e sensibilità precedentemente ritenute impossibili.