Квантовая интерференция удержала электронные волны у дефектов в металле

Физики из Колумбийского университета и партнёрских организаций обнаружили, что в двумерном металле Pd5AlI2 — слоистом ван-дер-ваальсовом соединении — существуют электронные состояния, которые остаются локализованными даже внутри непрерывного «моря» делокализованных электронов. Эффект, называемый электронным связанным состоянием в континууме (electronic bound state in the continuum, eBIC), ранее наблюдали в оптических системах; новая работа представляет его реализацию в металле. Его реализация в реальном металле открывает принципиально новые возможности для квантовых технологий. Работа Моргана Тинеля и соавторов опубликована в Science (DOI: 10.1126/science.adt9825). В исследовании участвовали Ракель Кейроз и Абхай Пасупатхи.

Что такое связанное состояние в континууме и почему это нетривиально

Локализованное состояние обычно может взаимодействовать с окружающими протяжёнными состояниями того же диапазона энергии и терять локализацию. Это правило хорошо выполняется в большинстве металлов: электроны свободно распространяются по кристаллу. Связанное состояние в континууме — исключение из правила: квантовое состояние, которое парадоксальным образом остаётся «невидимым» для соседних состояний, ортогонально им и не смешивается.

В фотонике такие состояния активно используются последние несколько лет для создания сверхузких резонансов в нанофотонных структурах. Реализовать аналогичный эффект для электронов в проводящем материале значительно сложнее — условия локализации в проводящем материале отличаются от условий для световых волн.

Механизм и материал

Авторы показали, что в двумерной кристаллической решётке Pd5AlI2 интерференция переходов (hopping interference) между узлами решётки приводит к образованию квазиплоской зоны — диапазона энергий, в котором электроны практически не двигаются. Внутри этой зоны возникают пространственно локализованные собственные состояния, ортогональные металлическому континууму: они существуют в одном и том же энергетическом диапазоне, что и делокализованные состояния, но не смешиваются с ними. Спектроскопические измерения выявили локализованные состояния вблизи атомных дефектов.

Ключевые характеристики результата:

• материал — двумерный ван-дер-ваальсовый металл Pd5AlI2, допускающий отщепление тонких слоёв;
• механизм удержания — интерференция межузельных переходов (hopping interference), а не внешний потенциальный барьер;
• наблюдаемое следствие — локализованные состояния в непрерывном металлическом спектре;
• принципиальное отличие от фотонных BIC — эффект реализован в электронной системе с реальными зарядами.

Значение для квантовых технологий

Возможность удерживать электронную волну в металле интересна для разработки квантовых датчиков и других устройств. Но исследование пока не демонстрирует готовой памяти или работающего квантового компьютера.

Читайте также: Лазер LCLS создал жёсткие рентгеновские импульсы длиной от 100 аттосекунд.

Наблюдаемые ловушки возникли около случайных дефектов при выращивании материала. Авторы изучают, как создавать дефекты в заданных местах и управлять интерференцией. Это необходимый шаг между обнаружением эффекта и его практическим использованием.