Impulsy lasera tworzą egzotyczne kwazicząstki w tlenku kobaltu

Wystarczy odpowiednio dobrany błysk lasera, by w sieci krystalicznej tlenku kobaltu pojawiły się kwazicząstki, których normalnie tam nie ma. Czy światło może projektować materię na zamówienie?

Co złapano w pułapkę?

→ Czytaj też: Fizycy słuchają muzyki wszechświata. Co usłyszą?

W międzynarodowym eksperymencie zaobserwowano polarony Jahna-Tellera — kwazicząstki, które mogą odegrać istotną rolę w przyszłych ultraszybkich urządzeniach spintronicznych. Pojawiły się one w sieci krystalicznej tlenku kobaltu, wcześniej aktywowanego precyzyjnie dobranymi impulsami laserowymi.

Tlenek kobaltu Co₃O₄ to materiał o pozornie prostym wzorze, ale wyjątkowo bogatej strukturze. Komórka elementarna jego sieci liczy aż 56 atomów: 24 kobaltu i 32 tlenu. Tam, gdzie jon kobaltu otaczają cztery jony tlenu, traci on dwa elektrony (ładunek 2+); w sąsiedztwie sześciu jonów tlenu — trzy (ładunek 3+).

Ta dwoistość czyni materiał interesującym dla fizyki. Bogata struktura elektronowa i magnetyczna powoduje, że tlenek kobaltu uchodzi za atrakcyjną platformę dla spintroniki — uznawanej za następczynię klasycznej elektroniki.

Czerwone i niebieskie światło, dwa różne światy

→ Czytaj też: Naukowcy potwierdzili istnienie czasu bez zegara. Jak to możliwe?

Eksperymenty przeprowadził kilkudziesięcioosobowy zespół z Uniwersytetu w Pawii, Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie, Instytutu Paula Scherrera oraz amerykańskich ośrodków — Uniwersytetu Teksańskiego w Austin, MIT i Northeastern University. Opis teoretyczny opracowali fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.

Cienką warstwę tlenku kobaltu — grubości zaledwie 27 nanometrów — oświetlano najpierw impulsem lasera pompującego, a potem, z kontrolowanym opóźnieniem, wiązką próbkującą. Pomiary powtarzano przy dwóch energiach: świetle czerwonym i niebieskim. Obie ujawniły zupełnie inne zachowanie materiału.

Przy czerwonym świetle, o mniejszej energii, w odbitym sygnale pojawiały się oscylacje, które fizycy z IFJ PAN powiązali z fononami o najniższej dopuszczalnej energii. Fonon to kwant drgań sieci krystalicznej — tak jak foton jest kwantem pola elektromagnetycznego. Niebieskie światło dało coś, czego w czystym tlenku kobaltu nie ma wcale.

Jak rodzi się polaron Jahna-Tellera

Analiza teoretyczna pozwoliła odtworzyć sekwencję zdarzeń. Gdy foton z niebieskiej wiązki uderza w materiał, elektron przeskakuje z jonu tlenu na jon kobaltu 3+, który staje się jonem 2+. Sieć reaguje natychmiast — asymetryczną deformacją, z przesunięciem dwóch z sześciu sąsiednich jonów tlenu.

Powstaje nadmiar ładunku i charakterystyczne zniekształcenie sieci. To właśnie polaron Jahna-Tellera. Wyniki opisano w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society.

– Od strony praktycznej mamy tu do czynienia ze swoistą inżynierią elektronową, polegającą na tworzeniu w materiale potrzebnej struktury elektronowej za pomocą impulsów laserowych wpływających na drgania sieci krystalicznej – tłumaczy dr hab. Przemysław Piekarz, prof. IFJ PAN.

Krakowscy fizycy byli do tego zadania świetnie przygotowani. Wcześniej modelowali właściwości magnetytu — najstarszego znanego ludzkości materiału magnetycznego, różniącego się od badanego tlenku jedynie zamianą atomów żelaza na kobalt.

Co dalej?

Aktywacja polaronów światłem jest możliwa dzięki silnemu powiązaniu ładunku, spinu i struktury w materiale. To czyni tlenek kobaltu obiecującą platformą dla badań spintronicznych.

W dłuższej perspektywie odkrycie może pomóc w precyzyjnym sterowaniu właściwościami materiałów w układach logicznych i pamięciach nowej generacji. Takich, które działałyby wielokrotnie szybciej niż dzisiejsze półprzewodniki. Klucz leży w sterowaniu strukturą kryształu pojedynczym błyskiem światła.