Используя внутренние квантовые колебания вместо мощных лазеров, учёные открывают возможности для создания совершенно новых материалов, которые будут обладать светоподобной точностью, но при этом наносить гораздо меньше вреда. Источник: SciTechDaily.com

Учёные доказали, что материалы можно преобразовывать, просто запуская внутренние квантовые процессы, а не воздействуя на них интенсивным светом.

Представьте, что вы можете изменить свойства материала, просто посветив на него.

Эта идея может показаться чем-то из области научной фантастики, но именно этого физики стремятся достичь с помощью набирающего популярность направления исследований, известного как фокетирование. Воздействуя на материал повторяющимися внешними факторами, например светом, учёные могут временно изменить поведение его электронов. Этот процесс позволяет материалам приобретать совершенно новые свойства, в том числе поведение, обычно связанное с экзотическими состояниями вещества, такими как сверхпроводимость.

Теория, лежащая в основе физики Флоке, изучалась на протяжении многих лет, начиная с смелого предположения, выдвинутого Окой и Аоки в 2009 году. Однако реальные демонстрации были редкостью. Лишь в небольшом количестве экспериментов за последнее десятилетие были успешно продемонстрированы явные эффекты Флоке. Основным препятствием была необходимость использовать интенсивный свет, который должен быть достаточно мощным, чтобы изменить поведение электронов, но при этом не повредить и не разрушить сам материал, а результаты были ограниченными.

Трёхмерная визуализация пары рук, держащих светящиеся энергетические полосы, похожие на кошачью колыбель. Одна из полос загибается внутрь, напоминая дисперсию импульса в виде мексиканской шляпы, характерную для эффектов Флоке. Светящиеся сферы над руками, одна тёмная, а другая светлая, представляют собой электрон и дырку, которые вместе образуют экситон. Источник: Джек Фезерстоун

Новый подход, выходящий за рамки использования света высокой интенсивности

Исследователи нашли более эффективный способ. Международная группа под руководством Окинавского института науки и технологий (OIST) и Стэнфордского университета продемонстрировала, что частицы, известные как экситоны, могут вызывать эффект Флоке гораздо эффективнее, чем свет сам по себе. Их результаты были опубликованы в Nature Physics.

«Из-за сильного кулоновского взаимодействия экситоны гораздо сильнее взаимодействуют с материалом, чем фотоны, особенно в двумерных материалах, — говорит профессор Кешав Дани из отдела фемтосекундной спектроскопии в OIST. — Таким образом, они могут вызывать сильные эффекты Флоке, избегая при этом проблем, связанных со светом. Благодаря этому у нас появился новый потенциальный путь к созданию экзотических квантовых устройств и материалов будущего, которые обещает технология Флоке».

Это открытие представляет собой многообещающую альтернативу лазерным методам и открывает новые возможности для управления квантовыми материалами без чрезмерного энергозатрат.

Обычно энергетические уровни электронов в атомарно тонких полупроводниках образуют плавную кривую (или полосу) при построении графика в зависимости от уровней кристаллического импульса (k), с отчётливым пиком в середине, как показано справа. Ключевым показателем гибридизации Флоке является сглаживание этого пика до формы, напоминающей мексиканскую шляпу, или «верблюжью спину» — см. крайний левый график. Такое сглаживание указывает на наличие второй перекрывающейся полосы, которая не видна, поскольку электроны не могут находиться в одной и той же точке импульсного пространства. Однако эти «призрачные» полосы влияют на видимые валентную и проводящую полосы, смещая их вниз в средней части. Это хорошо видно при высокой плотности экситонов, при этом сила эффекта снижается с увеличением плотности экситонов. В условиях оптического возбуждения также присутствует дисперсия, напоминающая мексиканскую шляпу, но она едва заметна. Источник: Pareek et al., 2025.

Как работает технология Floquet в квантовых материалах

Технология Floquet уже давно рассматривается как потенциальный способ создания квантовых материалов по запросу с использованием обычных полупроводников. Основная идея основана на простом физическом принципе. Когда система подвергается воздействию повторяющейся силы, её поведение в целом может стать более сложным, чем само повторение. Знакомый пример — качели на детской площадке. При регулярных толчках качели могут подниматься выше, хотя движение остаётся ритмичным.

В квантовом мире этот принцип приобретает новое значение. Внутри кристалла электроны уже испытывают повторяющееся воздействие в пространстве, поскольку атомы расположены в виде точной решётки. Это пространственное повторение определяет, какие энергетические уровни, известные как зоны, могут занимать электроны.

Когда на кристалл падает свет определённой частоты, он оказывает второе повторяющееся воздействие, на этот раз во времени, а не в пространстве. Когда фотоны ритмично взаимодействуют с электронами, разрешённые энергетические зоны смещаются. Тщательно настраивая частоту и интенсивность света, исследователи могут создавать гибридные энергетические зоны, которые изменяют движение и взаимодействие электронов. Эти изменения временно придают материалу новые свойства, подобно тому, как две музыкальные ноты объединяются, создавая новый звук.

Как только свет выключается, материал возвращается в исходное состояние. Но пока накопитель активен, учёные могут эффективно изменять свойства материалов, придавая им новые квантовые характеристики.

Установка для фотоэмиссионной спектроскопии с временным и угловым разрешением (TR-ARPES) в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, на которой работает соавтор исследования Син Чжу, аспирант отдела фемтосекундной спектроскопии. Благодаря запатентованному настольному источнику экстремального ультрафиолетового излучения, испускающему импульсы с фемтосекундными интервалами (1 фс = одна миллионная от одной миллиардной доли секунды), эта установка позволила получить первые реальные изображения экситонов, помогла проследить эволюцию тёмных экситонов и доказала возможность создания экситонных флокетоподобных структур. Фото: Богдана Балишевская (OIST)

Почему одного света недостаточно

«До сих пор технология Флоке была синонимом световых приводов, — говорит Син Чжу, аспирант OIST. — Но хотя эти системы сыграли важную роль в доказательстве существования эффектов Флоке, свет слабо взаимодействует с веществом, а это значит, что для достижения гибридизации требуются очень высокие частоты, часто в фемтосекундном диапазоне. Такие высокие уровни энергии приводят к испарению материала, а эффекты очень кратковременны. Напротив, для экситонной технологии Флоке требуются гораздо более низкие интенсивности».

Из-за этого ограничения технология Флоке в основном используется для лабораторных демонстраций, а не для практического применения.

Что делает экситоны такими эффективными

Экситоны образуются в полупроводниках, когда электроны поглощают энергию и переходят из своего обычного положения в валентной зоне на более высокий энергетический уровень, известный как зона проводимости. После этого перехода остаётся положительно заряженная дырка. Электрон и дырка остаются связанными, образуя короткоживущую квазичастицу.

Эти экситоны естественным образом несут в себе колебательную энергию, полученную при их первоначальном возбуждении. Эта энергия взаимодействует с близлежащими электронами на регулируемых частотах. Поскольку экситоны состоят из собственных электронов материала, они гораздо сильнее взаимодействуют с окружающей структурой, чем внешний свет.

«Экситоны несут в себе самовозбуждающуюся энергию, полученную в результате первоначального возбуждения, которая воздействует на окружающие электроны в материале с настраиваемыми частотами. Поскольку экситоны образуются из электронов самого материала, они гораздо сильнее взаимодействуют с материалом, чем свет. И что особенно важно, для создания популяции экситонов, достаточно плотной, чтобы служить эффективным периодическим стимулом для гибридизации, требуется значительно меньше света, что мы и наблюдали», — объясняет соавтор исследования профессор Джанлука Стефануччи из Римского университета Тор Вергата.

Наблюдение за эффектом экстионного флоке в режиме реального времени

Это открытие стало результатом многолетних исследований экситонов в OIST и разработки современной системы TR-ARPES (фотоэмиссионная спектроскопия с временным и угловым разрешением).

Чтобы отделить влияние света от влияния экситонов, команда учёных исследовала полупроводник толщиной в один атом. Сначала они применили сильное оптическое воздействие, чтобы напрямую наблюдать за изменениями в структуре электронных зон, и подтвердили традиционное поведение Флоке. Затем они снизили интенсивность света более чем на порядок и изучили электронную реакцию спустя 200 фемтосекунд. Такое время позволило им выделить эффекты, вызванные экситонами, а не самим светом.

«Эксперименты говорили сами за себя, — говорит доктор Вивек Парик, выпускник OIST, который сейчас является постдокторантом Калифорнийского технологического института. — Нам потребовались десятки часов для сбора данных, чтобы наблюдать за репликами Флоке с помощью света, но для получения экситонного Флоке нам понадобилось всего около двух часов — и с гораздо более сильным эффектом».

Открываем двери для практического применения флокетотехники

Результаты подтверждают, что флокетотехника не ограничивается методами, основанными на использовании света. Флокетотехнику можно надежно реализовать и с помощью других бозонных частиц, помимо фотонов. Для реализации флокетотехники на основе экситонов требуется гораздо меньше энергии, чем для оптических подходов, и это указывает на возможность более широкого применения инструментов для управления квантовыми материалами.

Теоретически подобных эффектов можно добиться с помощью других возбуждений, таких как фононы (с использованием акустических колебаний), плазмоны (с использованием свободно перемещающихся электронов) или магноны (с использованием магнитных полей). В совокупности эти возможности закладывают основу для практической реализации метода Флоке и контролируемого создания передовых квантовых материалов и устройств.

«Мы открыли двери в прикладную физику Флоке, — заключает соавтор исследования доктор Дэвид Бэкон, бывший научный сотрудник OIST, ныне работающий в Университетском колледже Лондона, — для широкого спектра бозонов. Это очень интересно, учитывая огромный потенциал для создания квантовых материалов и непосредственного управления ими. У нас пока нет рецепта, но теперь у нас есть спектральная сигнатура, необходимая для первых практических шагов».

Ссылка: «Управление физикой Флоке с помощью экситонных полей» 19 января 2026 г., Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-025-03132-z