Grafen to najbardziej znany materiał 2D, składający się z pojedynczej warstwy atomów węgla ułożonych w siatkę heksagonalną. Jest świetnym przewodnikiem elektrycznym i cieplnym, ale w kontekście ekscytonów częściej używa się go jako bazy do badań innych materiałów. Kwantowe właściwości, takie jak stabilne ekscytony, są łatwe do uzyskania w materiałach 2D, ponieważ ich cienka, płaska struktura ogranicza ruch cząstek i pozwala na precyzyjną kontrolę zjawisk kwantowych. Niestety takie materiały są trudne do wytwarzania w większej skali i są delikatne, stąd próba przejścia na trójwymiarowe struktury.
Do eksperymentów nad zachowaniem właściwości kwantowych w materiałach 3D, naukowcy wykorzystali bromek siarczku chromu (CrSBr). Materiał ten ma warstwową strukturę i właściwości magnetyczne, a magnetyczne momenty (spiny) atomów układają się w nim w specyficzny sposób (naprzemiennie w każdej warstwie, tworząc tzw. porządek antyferromagnetyczny). To sprawia, że ekscytony niejako ‘trzymają się’ jednej warstwy, zamiast przemieszczać się między warstwami i tracić swoje kwantowe cechy. Dzięki temu można uzyskać efekt podobny do tego, co widzimy w materiałach 2D, ale w większej, trójwymiarowej strukturze. Użyto spektroskopii optycznej oraz modelowania teoretycznego, by potwierdzić, że magnetyczne uwięzienie ekscytonów działa niezależnie od liczby warstw materiału.
Czytaj też: Osiągnęli teleportację kwantową i wykorzystali ją w praktyce. Wielki sukces naukowców
Pozwólcie, że krótko opiszę, dlaczego to odkrycie jest szczególnie ekscytujące. Po pierwsze: materiały dwuwymiarowe są trudne i przez swoją delikatność drogie w wytwarzaniu. Tymczasem CrSBr jako materiał 3D może być łatwiejszy do zastosowania na większą skalę. Po drugie: utrzymanie właściwości kwantowych w 3D otwiera drzwi do tworzenia większych urządzeń, takich jak komputery kwantowe. Zamiast polegać na delikatnych materiałach 2D, możemy więc używać bardziej wytrzymałych materiałów 3D, co nie tylko uprości produkcję, ale również zwiększy skalę zastosowań. Swoją drogą, opracowany przez naukowców sposób przypomina mi metodę na trzymanie delikatnych motyli w przezroczystym pojemniku, używając magnesów jako niewidzialnych ścian.