Laserpulser hjælper forskere med at pirre komplekse elektroninteraktioner

Forskere, der studerer høj temperatur superledere-materialer, der bærer elektrisk strøm uden energitab, når de afkøles under en bestemt temperatur, har søgt efter måder at studere detaljeret elektroninteraktioner, der menes at drive denne lovende ejendom. En stor udfordring er at afkode de mange forskellige former for interaktioner-f.eks. adskiller virkningerne af elektroner, der interagerer med hinanden, fra dem, der skyldes deres interaktioner med materialets atomer.

Nu har en gruppe forskere, herunder fysikere ved US Department of Energy's Brookhaven National Laboratory, demonstreret en ny laserdrevet "stop-action" teknik til at studere komplekse elektroninteraktioner under dynamiske forhold. Som beskrevet i et papir, der netop er offentliggjort i Naturkommunikation , de bruger en meget hurtigt, intens "pumpe" laser for at give elektroner en eksplosion af energi, og en anden "sonde" laser til at måle elektronernes energiniveau og bevægelsesretning, når de slapper tilbage til deres normale tilstand.

"Ved at variere tiden mellem laserpulserne" pumpe "og" sonde "kan vi opbygge en stroboskopisk registrering af, hvad der sker-en film af, hvordan dette materiale ser ud fra hvile gennem den voldsomme interaktion til, hvordan det sætter sig ned igen, "sagde Brookhaven -fysikeren Jonathan Rameau, en af ​​hovedforfatterne på papiret. "Det er som at tabe en bowlingbold i en spand vand for at forårsage en stor forstyrrelse, og derefter tage billeder på forskellige tidspunkter bagefter, "forklarede han.

Teknikken, kendt som tidsopløst, vinkelopløst fotoelektronspektroskopi (tr-ARPES), kombineret med komplekse teoretiske simuleringer og analyse, tilladt teamet at drille sekvensen og energiens "signaturer" ud af forskellige typer elektroninteraktioner. De var i stand til at udpege forskellige signaler om interaktioner mellem ophidsede elektroner (som sker hurtigt, men ikke spilder meget energi), samt tilfældige vekselvirkninger på et senere tidspunkt mellem elektroner og atomer, der udgør krystalgitteret (som genererer friktion og fører til gradvist energitab i form af varme).

Men de opdagede også en anden, uventet signal-som de siger repræsenterer en særskilt form for ekstremt effektivt energitab på et bestemt energiniveau og tidsskala mellem de to andre.

"Vi ser en meget stærk og ejendommelig vekselvirkning mellem de ophidsede elektroner og gitteret, hvor elektronerne mister det meste af deres energi meget hurtigt i en sammenhængende, ikke-tilfældig måde, "Sagde Rameau. På dette særlige energiniveau, forklarede han, elektronerne ser ud til at interagere med gitteratomer, der alle vibrerer ved en bestemt frekvenslignende en stemmegaffel, der udsender en enkelt tone. Når alle de elektroner, der har den energi, der kræves til denne unikke interaktion, har opgivet det meste af deres energi, de begynder at afkøle langsommere ved at ramme atomer mere tilfældigt uden at ramme den "resonante" frekvens, han sagde.

Hyppigheden af ​​den specielle gitterinteraktion "note" er særlig bemærkelsesværdig, siger forskerne, fordi dets energiniveau svarer til et "knæk" i energisignaturen for det samme materiale i dets superledende tilstand, som først blev identificeret af Brookhaven -forskere ved hjælp af en statisk form for ARPES. Efter denne opdagelse, mange forskere foreslog, at knækket måske havde noget at gøre med materialets evne til at blive en superleder, fordi den ikke let observeres over den superledende temperatur.

Men de nye tidsopløste eksperimenter, som blev udført på materialet langt over dets superledende temperatur, var i stand til at drille det subtile signal ud. Disse nye fund indikerer, at denne særlige tilstand eksisterer, selv når materialet ikke er en superleder.

"Vi ved nu, at denne interaktion ikke bare tænder, når materialet bliver en superleder; det er faktisk altid der, "Sagde Rameau.

Forskerne mener stadig, at der er noget særligt ved energiniveauet i den unikke tuning-gaffel-lignende interaktion. Andre spændende fænomener er blevet observeret på samme energiniveau, som Rameau siger er blevet undersøgt i ulidelige detaljer.

Er det muligt, han siger, at one-note gitterinteraktionen spiller en rolle i superledning, men kræver en del, der endnu ikke skal bestemmes, yderligere faktor for at tænde superledningen.

"Der er klart noget særligt ved denne ene note, "Sagde Rameau.