Ученые впервые поймали

Предыдущее изображение Следующее изображение

Разработка высокоскоростной стробоскопической фотографии в 1960-х годах покойным профессором Массачусетского технологического института Гарольдом «Доком» Эдгертоном позволила нам визуализировать события, слишком быстрые для глаза — пулю, пронзившую яблоко, или каплю, попавшую в лужу молока.

Теперь, используя набор передовых спектроскопических инструментов, ученые из Массачусетского технологического института и Техасского университета в Остине впервые сделали снимки индуцированной светом метастабильной фазы, скрытой от равновесной Вселенной. Используя методы однократной спектроскопии на 2D-кристалле с наномасштабными модуляциями электронной плотности, они смогли наблюдать этот переход в режиме реального времени.

«В этой работе мы показываем рождение и эволюцию скрытой квантовой фазы, индуцированной ультракоротким лазерным импульсом в кристалле с электронной модуляцией», — говорит Фрэнк Гао, доктор философии '22, соавтор статьи об этой работе, который в настоящее время постдок в UT в Остине.

«Обычно воздействие лазера на материалы — это то же самое, что их нагрев, но не в этом случае», — добавляет Чжуцюань Чжан, соавтор и нынешний аспирант Массачусетского технологического института по химии. «Здесь облучение кристалла перестраивает электронный порядок, создавая совершенно новую фазу, отличную от высокотемпературной».

Статья об этом исследовании была опубликована сегодня в журнале Science Advances. Проект совместно координировали Кейт А. Нельсон, профессор химии Хаслама и Дьюи в Массачусетском технологическом институте, и Эдоардо Бальдини, доцент кафедры физики в Техасском университете в Остине.

Лазерные шоу

«Понимание происхождения таких метастабильных квантовых фаз важно для решения давних фундаментальных вопросов неравновесной термодинамики», — говорит Нельсон.

«Ключом к этому результату стала разработка современного лазерного метода, который может «снимать фильмы» о необратимых процессах в квантовых материалах с временным разрешением 100 фемтосекунд». — добавляет Бальдини.

Материал, дисульфид тантала, состоит из ковалентно связанных слоев атомов тантала и серы, свободно уложенных друг на друга. Ниже критической температуры атомы и электроны материала образуют наноразмерные структуры «Звезды Давида» — нетрадиционное распределение электронов, известное как «волна зарядовой плотности».

Образование этой новой фазы делает материал изолятором, но одиночный интенсивный световой импульс толкает материал в метастабильный скрытый металл. «Это переходное квантовое состояние, застывшее во времени», — говорит Бальдини. «Люди уже наблюдали эту скрытую фазу, индуцированную светом, но сверхбыстрые квантовые процессы, стоящие за ее возникновением, все еще были неизвестны».

Нельсон добавляет: «Одна из ключевых проблем заключается в том, что наблюдение сверхбыстрой трансформации от одного электронного порядка к такому, который может сохраняться бесконечно, непрактично с помощью традиционных методов временного разрешения».

Импульсы прозрения

Исследователи разработали уникальный метод, который включал разделение одного зондирующего лазерного импульса на несколько сотен отдельных зондирующих импульсов, которые поступали к образцу в разное время до и после того, как переключение было инициировано отдельным сверхбыстрым импульсом возбуждения. Измеряя изменения в каждом из этих зондирующих импульсов после того, как они были отражены от образца или прошли через него, а затем соединив результаты измерений вместе, как отдельные кадры, они смогли построить фильм, который дает микроскопическое представление о механизмах, посредством которых происходят преобразования.

Зафиксировав динамику этого сложного фазового превращения в ходе однократного измерения, авторы продемонстрировали, что плавление и переупорядочение волны зарядовой плотности приводят к образованию скрытого состояния. Теоретические расчеты Чжиюаня Суня, постдока Гарвардского квантового института, подтвердили эту интерпретацию.

Хотя это исследование проводилось с одним конкретным материалом, исследователи говорят, что та же методология теперь может быть использована для изучения других экзотических явлений в квантовых материалах. Это открытие может также помочь в разработке оптоэлектронных устройств с фотоответом по требованию.