Kvantumszintű interferencia mindennapi anyagokban
Ahogyan a vízbe dobott kavics által keltett hullámok, úgy az anyagokban is kialakulhatnak olyan rezgések, amelyek egymást erősítik vagy kioltják. Ezeket fononoknak hívják, és a kvantumfizika világában kulcsszerepet játszanak. Most azonban a Rice Egyetem kutatói először demonstrálták, hogy két eltérő frekvenciájú fonon – az úgynevezett Fano-rezonancia során – minden eddiginél erősebben képes interferálni, kétszázszor nagyobb hatást elérve, mint a korábbi kísérletekben.
Emellett lényeges, hogy a fononok hullámtulajdonságaikat hosszú ideig képesek megőrizni, vagyis stabil, nagy teljesítményű eszközök fejlesztését teszik lehetővé – olyanokat, amelyek akár a kvantumszámítógépek alapját is adhatják.
Érzékenység a fizika határán
A kutatócsoport egy kétdimenziós fémréteget helyezett el a szilícium-karbid alapra, amelyen mindössze néhány atomnyi ezüstréteg található a grafén és az alapanyag között. Így egyedi, kvantumos jellegű határfelületet hoztak létre. Raman-spektroszkópia segítségével a fononok jellegzetes, aszimmetrikus spektrumait tudták kimutatni, sőt néhol teljesen kioltott jeleket észleltek, vagyis extrém intenzív interferenciát tapasztaltak.
A szilícium-karbid felszínének apró tulajdonságai alapvetően befolyásolják az interferenciát. Három különböző felszíni kialakítást vizsgálva egyértelmű kapcsolatot találtak a molekulák jelenléte és a spektrum változása között. Amikor csak egyetlen festékmolekulát helyeztek fel, a spektrum drasztikusan átalakult, így akár egyetlen molekula is kimutathatóvá vált.
Új irányok az érzékelő- és energiatechnikában
A mérések során alacsony hőmérsékleten is egyértelműen igazolták, hogy kizárólag a fononok közötti kvantuminterferencia felelős a hatásért – elektronok beavatkozása nélkül. A jelenség kizárólag a speciális 2D fémréteg/szilícium-karbid kombinációban volt megfigyelhető, míg hagyományos tömbi fémeknél nem jelentkezett. Ez elsősorban az atomi vékonyságú réteg különleges átmeneti pályáinak és felszíni konfigurációinak köszönhető.
A kutatók tesztelték a gallium- vagy indiumrétegeket is, így a jövőben akár személyre szabott kvantumanyagokat is tervezhetnek. Az érzékenység mellett fontos, hogy a fononokra épülő módszer nem igényel drága címkéket vagy bonyolult hardvert.
Mindezek fényében a fejlesztés új utakat nyithat nemcsak a molekuláris érzékelésben, hanem energiagyűjtésben, hőmenedzsmentben és minden olyan kvantumtechnológiában, ahol az apró rezgések pontos irányítása lehet a siker kulcsa.
