Moiré efekty: od optických klamů k materiálové revoluci

Každý, kdo někdy položil dvě průhledné mřížky přes sebe a mírně je pootočil, zná moiré vzor – velké vlnivé obrazce, které vznikají překrýváním pravidelných struktur. A přesně tohle se v mnohem menším měřítku děje, když se na sebe naskládají ultratenké vrstvy materiálů zvaných přechodné kovové dichalkogenidy (TMDs).

Výsledkem je moiré potenciál – energetická krajina s pravidelnými „údolími“ a „vrcholy“, která ovlivňuje chování částic uvnitř materiálu. Až donedávna se věřilo, že tato moiré struktura je pevně daná. Nový objev ale ukázal, že moiré vzor se může sám hýbat – a to i při velmi nízkých teplotách.

Pohyb v „zamrzlé“ krajině

Při experimentech s TMD materiály WS₂ a WSe₂ si výzkumníci všimli něčeho podivného. Částice zvané interlayer excitony (IXs) – tedy spárované elektrony a díry, které se nacházejí ve dvou různých vrstvách – se i přes „pasti“ moiré potenciálu dokázaly pohybovat.

„Představte si exciton jako míček, který spadne do doliny. Podle klasické fyziky by tam měl zůstat. Ale tady se pohybuje dál – jako by surfoval na pohybující se krajině,“ popsal situaci vedoucí výzkumu Antonio Rossi.

Fázony: surfovací prkno v kvantovém světě

Klíčem k tomuto nečekanému pohybu jsou zřejmě fázony – exotické kvazičástice, které vznikají v krystalických strukturách. Fázon není „částice“ v tradičním slova smyslu, ale spíše kvantové vlnění, které se může šířit materiálem a nést s sebou energii či informaci.

„Exciton jako by surfoval na pohybujícím se moiré potenciálu. A právě fázon je tím surfovacím prknem,“ dodává Rossi.

To, co bylo považováno za statické, je tedy ve skutečnosti dynamické a flexibilní – dokonce i v teplotách kolem −150 °C, kde by měl veškerý pohyb utichnout.

Zdroj: Shutterstock

Jak výzkum probíhal?

Výzkum vedl tým odborníků z Molecular Foundry v Berkeley, kde vědkyně Archana Raja se svým kolegou Jonasem Zipfelem zkoumali excitony pomocí ultrarychlých laserů a optické spektroskopie. Pomáhali jim také teoretičtí fyzikové z Imperial College London, kteří pomocí simulací modelovali, jak se moiré krajina mění v čase.

Automatizované měření, snímání luminiscence a výpočty difúze excitonů ukázaly, že pohyb excitonů není jen náhodný – ale souvisí s tím, že moiré potenciál není zcela ztuhlý. Pohybuje se, vlní a vytváří něco jako „kvantové moře“, po kterém se excitony vezou.

Když nula neznamená konec

Nejpřekvapivější zjištění? I když se systém ochladí téměř na absolutní nulu, pohyb excitonů nikdy zcela neustane. Zůstává nenápadný, ale měřitelný – což podle vědců zásadně mění představu o tom, co znamená „zamrzlý“ stav hmoty.

„Tohle jsme opravdu nečekali. Je to jako objevit proud v zamrzlém jezeře,“ říká Archana Raja.