科学家意外发现二维材料中的神秘量子现象

研究人员借助一种新型太赫兹（THz）光谱方法发现，全球实验室广泛使用的二维材料薄层能自然形成“腔体”。这些微小空间会将光和电子限制在更小的区域内，从而显著改变它们的相互作用和行为。
哥伦比亚大学物理学助理教授、该论文通讯作者詹姆斯·麦基弗（James McIver）表示：“我们发现了量子材料中一层隐藏的控制机制，开辟了调控光与物质相互作用的新途径，这不仅有助于理解物质的奇特物相，最终还能将其应用于未来的量子技术。”
这项研究起源于汉堡，当时麦基弗在马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）领导研究小组。该研究所是马克斯·普朗克-纽约非平衡量子现象中心的成员，该中心由MPSD、哥伦比亚大学、弗莱德·哈钦森癌症研究中心及康奈尔大学合作成立，主要研究稳定物理系统在偏离平衡状态时的响应。
麦基弗团队通过光来探索这些问题。MPSD博士生、论文第一作者贡达·基普（Gunda Kipp）称：“二维材料虽有迷人的宏观特性，但其行为常像黑匣子。用光照射它们，能揭示电子的隐藏行为，发现原本看不见的细节。”但问题在于，探测二维材料所需光的波长比材料本身大得多，而这些材料比头发丝还薄。
为解决这种尺度不匹配，研究人员开发了芯片大小的光谱仪，可将太赫兹光（许多量子效应发生的波段）从约1毫米压缩到仅3微米。这种紧凑设计能直接观察二维材料中电子的运动，他们首先用石墨烯测试该方法，以测量其光学电导率，结果意外发现了明显的驻波。
MPSD博士后研究员、共同第一作者霍普·布雷彻（Hope Bretscher）解释：“光与电子耦合会形成光-物质混合准粒子，这些准粒子以波的形式运动，在特定条件下会被限制，就像吉他弦上产生特定音符的驻波。”
在吉他中，弦的固定端决定驻波形成位置，按弦缩短波长会改变音高；光学中，两面镜子将光困在中间形成腔体，腔内物质会与被困光反复作用，改变其电子特性。但研究人员发现，镜子可能并非必需。
基普说：“我们发现材料自身的边缘已能起到镜子作用。”通过太赫兹光谱仪，他们观察到激发的电子流从边缘反射，形成一种名为等离激元极化激元的光-物质混合准粒子。
麦基弗实验室研究的器件由多层组成，每层都可作为腔体，层间距仅几十纳米。每层形成的等离激元会发生强烈相互作用，“就像两根吉他弦相连，音符会发生显著变化”，布雷彻如此比喻。
下一步是弄清准粒子频率的决定因素及光与物质的耦合强度。基普表示：“我们与共同作者、MPSD博士后研究员马里奥·迈克尔（Marios Michael）开发了一种分析理论，只需几个几何样品参数就能匹配实验观察结果。点击按钮，该理论就能提取材料特性，助力设计和定制未来样品以获得特定性能。例如，通过跟踪共振随载流子密度、温度或磁场的变化，或许能揭示驱动不同量子相的机制。”
尽管这项研究聚焦等离激元，但新型芯片级太赫兹光谱仪还能检测多种二维材料中振荡的其他准粒子，团队已在汉堡和纽约测试新样品。
布雷彻说：“整个项目是偶然发现，我们没料到会看到这些腔体效应，但很高兴能借此操纵量子材料现象。现在有了观察它们的技术，我们很想了解它们如何影响其他材料和物相。”