Nature Physics dergisinde yayımlanan ve Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (OIST) ile Stanford Üniversitesi'nin işbirliğiyle gerçekleştirilen araştırmaya göre, malzeme içinde oluşan eksiton adı verilen parçacık benzeri kuantum yapılar, çok daha düşük ışık yoğunluğuyla "Floquet etkisi" yaratabilme kapasitesine sahip. Bu durum, gelecekte malzemeleri zarar vermeden yeni kuantum özelliklerle donatma olanağını sunabilir.
Floquet mühendisliği, bir sisteme düzenli aralıklarla uygulanan dış bir etki (genellikle ışık) ile malzemenin elektronlarının davranışını geçici olarak değiştirme konseptidir. Bu durumu basit bir örnekle açıklamak gerekirse: bir salıncağı ritimli itişlerle daha yükseğe çıkarabilirsiniz; itişler düzenlidir, ancak sonuç daha "zengin" bir hareket biçimine dönüşür. Katı maddelerde atomlar zaten uzayda düzenli bir kristal yapısı oluşturur; elektronlar bu yapı içinde yalnızca belirli enerji seviyelerinde hareket edebilir.
Malzemeye belirli bir frekansta ışık uygulandığında, zamanda tekrarlayan ikinci bir düzen oluşur. Elektronlar fotonlarla ritmik bir şekilde etkileşir; enerji seviyeleri "kaymış" veya "melezleşmiş" gibi davranışlar sergileyebilir. Teorik olarak bu yöntem, normalde zor bulunan bazı kuantum hallerine (örneğin, belirli koşullarda süperiletkenliğe benzer davranışlar) geçici olarak yaklaşmanın yolunu açar.
Ancak, ışığın maddeyle yeterince güçlü bir etkileşimde bulunamaması önemli bir sorun teşkil ediyor. Etkiyi gözlemlenebilir hale getirmek için lazer şiddetinin artırılması gerekiyor; bu da malzemeyi ısıtma, bozma hatta hasar verme riskini artırıyor. Üstelik, etkinin çok kısa ömürlü olabilmesi uygulama sürecini de zorlaştırıyor.
Yeni araştırmanın en önemli noktası, dışarıdan bir fotonla "itmek" yerine, malzemenin içindeki eksitonları bir tür içsel ritmik sürücü haline getirmektir. Eksiton, bir elektronun enerji alarak daha yüksek enerji seviyesine geçmesiyle geride bıraktığı "pozitif boşluk" ile (delik) bağlantılı bir çift olarak düşünülebilir. Bu durum, malzemenin kendi elektronik yapısından kaynaklanır ve bu nedenle çevresindeki elektronlarla daha güçlü bir etkileşim sağlar.
Araştırmacılar, atomik ölçekte ince bir yarıiletken üzerinde zaman ve açı çözünürlüğüne sahip fotoelektron spektroskopisi (TR-ARPES) ile bant yapısının nasıl değiştiğini adım adım izlediler. Öncelikle güçlü optik sürüşle klasik Floquet izlerini gözlemlediler. Ardından, ışık şiddetini 10 kat daha düşürüp, yaklaşık 200 femtosaniye sonra ölçüm alarak eksitonların etkisinin hakim olduğu bir pencere elde ettiler. Sonuç olarak, ışıkla Floquet “kopyalarını” görmek için uzun süreli veri toplamak gerekirken, eksitonlarla daha kısa sürede ve daha güçlü bir imza elde edildi.
Bu yaklaşımın cazibesi oldukça açık: aynı tür "bant hibritleşmesini" daha düşük enerji seviyelerinde gerçekleştirebilirseniz, malzemeyi zarar vermeden kontrol edilebilir kuantum davranışlarına daha da yaklaştırabilirsiniz.
Araştırma, Floquet etkilerinin yalnızca ışığa bağlı olmadığını; uygun koşullarda başka bozonsal uyarımların (örneğin, fononlar: titreşimler; plazmonlar: serbest elektron salınımları; magnonlar: manyetik salınımlar) da benzer "ritmik sürüş" işlevini üstlenebileceğini ortaya koyuyor.
Kısa vadede bu durum, laboratuvar ortamında daha "temiz" ve tekrarlanabilir deneylerin yapılmasına olanak tanıyabilir. Uzun vadede ise hedef, sıradan yarıiletkenleri, gerektiğinde farklı kuantum özellikleri gösteren "programlanabilir" malzemelere dönüştürmektir. Araştırmacılar, bunun henüz hazır bir formül olmadığını vurguluyor; fakat en kritik eşiğin aşıldığını belirtiyorlar: Pratik adımlar için gerekli spektral imza artık elde edilmiş durumda. Bu da "malzemeyi lazerle dövmek" yerine, içindeki kuantum dalgalanmalarını doğru bir şekilde tetikleyerek dönüştürme fikrini, bilim kurgu olmaktan biraz daha çıkarıyor.