أظهرت دراسة حديثة نُشرت في مجلة Nature Physics أن الهياكل الطبقية للمواد ثنائية الأبعاد يمكن أن تشكّل تجاويف بصرية بشكل طبيعي، مما يفتح آفاقًا جديدة لفهم آليات نشوء الطور الكمومي مثل التوصيلية الفائقة. استخدم فريق مشترك من جامعة كولومبيا ومعهد ماكس بلانك تقنية طيفية تيراهيرتز جديدة لمراقبة اقتران الضوء بالإلكترونات داخل المواد ثنائية الأبعاد.
قال الأستاذ المساعد في الفيزياء بجامعة كولومبيا الدكتور جيمس ماك إيفر (James McIver):
«اكتشفنا طبقة تحكم مخفية في المواد الكمومية، وفتحنا طريقًا لتشكيل التفاعل بين الضوء والمادة. هذا سيساعدنا على فهم الطور الغريب للمادة، وربما في النهاية استغلاله لتطوير تقنيات كمومية مستقبلية».
نجح الفريق باستخدام مطياف تيراهيرتز على مستوى الشريحة في ضغط طول موجة الضوء من 1 مليمتر إلى 3 ميكرومتر فقط، متجاوزًا بذلك العائق التقني المتمثل في أن أبعاد المواد ثنائية الأبعاد أصغر بكثير من طول موجة الكشف.
رصد التجربة لأول مرة في نظام الجرافين موجات بلازمونية واقفة (plasmon standing waves) تتشكل بانعكاس الحواف. أوضح الدكتوراه في معهد ماكس بلانك الدكتور جوندا كيب (Gunda Kip):
«يمكن للضوء أن يقترن بالإلكترونات لتشكيل شبه جسيمات هجينة ضوء-مادة. تتحرك هذه الشبه جسيمات على شكل موجات، وفي ظروف معينة يمكن حصرها تمامًا، تمامًا كما تنتج موجات الوتر الواقفة في الجيتار نغمة مميزة».
أثبتت الدراسة أن كل طبقة داخل هيكل المواد ثنائية الأبعاد المتعدد الطبقات تشكل تجويفًا طبيعيًا، وأن البلازمونات بين التجاويف المجاورة تتفاعل بشدة.
كشف هذا الاكتشاف بُعد تحكم غير معروف سابقًا في أنظمة المواد ثنائية الأبعاد. قال الباحث ما بعد الدكتوراه هوب بريشر (Hope Brecher):
«كان المشروع بأكمله اكتشافًا عرضيًا إلى حد ما. لم نتوقع رؤية تأثيرات التجويف، لكننا سعداء جدًا بقدرتنا على استخدام هذه التأثيرات للتحكم في ظواهر متنوعة داخل المواد الكمومية».
طوّر الفريق نموذجًا نظريًا تحليليًا يمكنه التنبؤ بخصائص المادة باستخدام عدد قليل فقط من المعالم الهندسية، مما يوفر طريقة جديدة لتصميم مواد كمومية ذات خصائص محددة.
توفر تقنية الطيف التيراهيرتز الجديدة منصة عالمية لدراسة تذبذبات شبه الجسيمات المختلفة داخل المواد ثنائية الأبعاد. يجري الفريق حاليًا قياسات على عينات جديدة في هامبورغ ونيويورك بالتوازي، لمواصلة استكشاف آليات التحكم التي تمارسها التجاويف الطبيعية على أنظمة المواد الكمومية المختلفة.
