Centrum Prasowe UMCS

„Ciemne stany w atomowych strukturach na uporządkowanych powierzchniach” to projekt, na którego realizację otrzymał Pan grant w ramach konkursu OPUS 23 Narodowego Centrum Nauki. Czym zatem są ciemne stany?

Określenie „ciemne stany” pierwotnie wiązało się z wynikiem eksperymentu, jaki w 1976 r. przeprowadzili włoscy fizycy Gerardo Alzetta, Adriano Gozzini, Luigi Moi i Gaspar Orriols. Zauważyli oni, że podczas oświetlania wielomodowym światłem laserowym par sodu w niejednorodnym polu magnetycznym oprócz jasnych linii w widmie fluorescencji pojawiły się ciemne linie, które przyporządkowano poziomom atomowym sodu, ale które najwyraźniej nie uczestniczyły w procesie emisji światła. Linie te nazwano „ciemnymi liniami” (z ang. dark lines), a stany elektronowe w takiej sytuacji nazwano „stanami ciemnymi” (z ang. dark states). Wyjaśniono, że powodem tego zjawiska jest koherentna superpozycja atomowych stanów kwantowych (z ang. coherent population trapping), niezwykle ciekawe zjawisko kwantowe, mające źródło w destruktywnej interferencji funkcji falowych stanów, co ujawnia się tym, że ciemne stany nie mogą emitować albo absorbować fal świetlnych. Wkrótce zauważono, że taki sam mechanizm „blokowania” oddziaływania fal elektromagnetycznych z ciemnymi stanami dotyczy nie tylko swobodnych, pojedynczych atomów podczas absorbcji i emisji światła, ale też mezoskopowych obiektów w postaci kropek kwantowych (z ang. quantum dot), w których energie stanów elektronowych są kilkaset razy mniejsze niż w eksperymentach optycznych, przez co do detekcji ciemnych stanów stosuje się promieniowanie mikrofalowe, a eksperymenty muszą być prowadzone w temperaturach zaledwie kilku Kelwinów.

Propozycja badań opisanych w projekcie dotyczy układów kilku- lub kilkunastoatomowych, tworzących liniowe łańcuchy, w których separacja energii stanów będzie w pobliżu jednego elektronowolta, co pozwoli na ich obserwację również w temperaturze pokojowej.

Jakie są główne założenia projektu?

Chociaż z ogólnych rozważań teoretycznych wynika, że ciemne stany powinny istnieć także w układach liniowych łańcuchów złożonych z pojedynczych atomów, to jednak do tej pory nie zostało to potwierdzone eksperymentalnie. Celem projektu (NCN nr 2022/45/B/ST3/01123) jest obserwacja i teoretyczne opisanie ciemnych stanów w takich krańcowo małych nanostrukturach o długościach zaledwie kilku nanometrów (1 nm = 10 -9 m). Mimo iż kwantowo-mechaniczna teoria stanów elektronowych w swobodnych, idealnych i liniowych łańcuchach atomowych nie jest zbyt skomplikowana (przedstawia to Rysunek 1, gdzie środkowy stan całego układu nie zawiera składowej funkcji falowej φ₂, co należy identyfikować z ciemnym stanem i w pewnych warunkach może oznaczać blokadę, a więc kontrolę przepływu prądu elektronowego przez środkowy atom), to trzeba pamiętać, że w rzeczywistości atomy muszą być umieszczone na podłożu. To niesłychanie komplikuje opis i może zniweczyć obecność ciemnych stanów. Temu zagadnieniu poświęcimy w projekcie większość prac badawczych.

Rys. 1. Model atomowego łańcucha złożonego z trzech atomów i jego stany elektronowe

W jaki sposób będą przebiegały prace nad jego realizacją?

Prace teoretyczne i doświadczalne będą prowadzone równolegle. Mamy duże doświadczenie w wytwarzaniu atomowych łańcuchów, zatem od początku realizacji projektu prace teoretyczne będą koncentrowały się na zbadaniu przydatności znanych nam nanostruktur do obserwacji ciemnych stanów. Wnioski płynące z analizy wyników doświadczalnych i ich porównania z efektami badań teoretycznych dostarczą wskazówek dotyczących tego, jak modyfikować technologię wytwarzania łańcuchów i jakie ich właściwości powinny ujawnić się w badaniach doświadczalnych.

Właściwości stanów elektronowych atomów, a więc i ciemnych stanów, dramatycznie zmieniają się pod wpływem zanieczyszczeń. Oznacza to, że muszą być one wytwarzane i badane w warunkach bardzo dobrej próżni, rutynowo w ultrawysokiej próżni (UHV), przy ciśnieniu gazów w zakresie 10 -14 bar. Nanostruktury w postaci atomowych łańcuchów (jak na Rysunku 2) będziemy wytwarzali na podłożach wicynalnych (schodkowych) kryształów Si oraz na podłożach ultracienkich warstw metali z kwantowym efektem rozmiarowym (QSE). Takie podłoża pozwalają na kontrolowanie konfiguracji układów atomowych oraz ich struktury elektronowej. Podstawowymi narzędziami badawczymi będą: niskotemperaturowy skaningowy mikroskop tunelowy (STM), niskotemperaturowy mikroskop sił atomowych (AFM) oraz dyfraktometr wysokoenergetycznych elektronów (RHEED).

Rys. 2. Mikroskopowy obraz topograficzny łańcuchów atomów krzemu wykonany za pomocą mikroskopu tunelowego STm

Do czego będą mogły zostać użyte ciemne stany? W jakich branżach i dziedzinach nauki mogą być wykorzystane?

Zakres prac proponowanych w projekcie ma charakter badań podstawowych i chociaż nie przewidujemy, że ich końcowym efektem będzie użyteczny projekt albo tym bardziej prototyp jakiegoś przydatnego urządzenia, to jednak uważamy, że teoretyczny i sprawdzony doświadczalnie opis zjawiska ciemnych stanów w liniowych strukturach atomowych będzie miał wpływ na zrozumienie kwantowo-mechanicznych procesów w granicznie małych przewodnikach i układach logicznych. Koherentne stany elektronowe (a takimi są ciemne stany) mają duże znaczenie z powodu ich bezpośredniego powiązania z takim zjawiskiem fizycznym jak informatyka kwantowa. Są istotne w przebiegu procesów chemicznych w molekułach DNA. Uważa się, że zjawisko ciemnych stanów będzie mogło być wykorzystane do opracowania wielobitowej pamięci, a układy nanostruktur z ciemnymi stanami posłużą do budowy komputerów kwantowych.

Jak wyglądała droga do otrzymania grantu? Co należało zrobić, by go zdobyć?

Struktura wniosku o grant odpowiada w swej zasadniczej, merytorycznej części schematowi dobrze napisanej publikacji, tyle że w innej, większej skali. Najkrócej mówiąc – należy udzielić udokumentowanej odpowiedzi na następujące pytania: co, dlaczego i jak? Odpowiedź na pytanie „co?” powinna zawierać klarownie opisany pomysł na rozwiązanie problemu naukowego, a proponowana tematyka badań naukowych wybiegać w przyszłość, co niesie ryzyko niepowodzenia. Dobry projekt powinien zatem znaleźć balans pomiędzy ryzykiem niepowodzenia a pozytywnym efektem realizacji w postaci istotnego poszerzenia wiedzy w tych obszarach dyscypliny, gdzie spodziewane nowe odkrycia mogą mieć duży wpływ na naukowy postęp. Uważam, że autor projektu powinien mieć wizję, a realizacja projektu ma umożliwić mu jej przemianę w udokumentowane odkrycia. Do przekonania recenzentów o tym, że wizja wnioskodawcy ma silne podstawy naukowe, a zatem i szanse powodzenia, powinny posłużyć odpowiedzi na pytanie „dlaczego?”. Tutaj szczególną rolę odgrywa znajomość i krytyczna analiza literatury przedmiotu, także tej najbardziej aktualnej. Dobrze jest, gdy autorski pomysł na naukowe badania wywodzi się z pokrewnych albo powiązanych z projektem naukowych odkryć opisanych w wysoko punktowanych publikacjach. Z kolei odpowiedź na pytanie „jak?” sprawia zazwyczaj najmniej kłopotu. Metody badań, aparatura i naukowy warsztat należy dopasować do charakteru zadań badawczych.

W skrócie można powiedzieć, że recenzent powinien czytać projekt jak nowelkę – z zagadkowym wstępem, interesującą, nową treścią i ważnym z naukowego punktu widzenia (przewidywanym) finałem.

Rozmawiała Magdalena Wołoszyn