Undersøgelse bruger terahertz laserpulser til at afsløre ultrahurtig kobling af atomskala mønstre

Striber kan findes overalt, fra zebraer, der strejfer i naturen til den nyeste modeerklæring. I en verden af ​​mikroskopisk fysik, periodiske stribemønstre kan dannes af elektroner inden for såkaldte kvantematerialer.

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nu adskilt den spændende dynamik i, hvordan sådanne striber i atomskala smelter og dannes, giver grundlæggende indsigt, der kan være nyttig i udviklingen af ​​nye energimaterialer.

I stærkt korrelerede kvantematerialer, vekselvirkninger mellem elektronerne hersker. Den komplekse kobling af disse elektroner med hinanden - og med elektron -spins og krystalvibrationer - resulterer i eksotiske faser som ladningsordre eller høj temperatur superledning.

"Et centralt mål med kondenseret fysik er at forstå de kræfter, der er ansvarlige for komplekse faser og overgangene mellem dem, "sagde Robert Kaindl, en hovedforsker og personaleforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Men i den mikroskopiske verden, interaktioner er ofte ekstremt hurtige. Hvis vi bare langsomt opvarmer eller køler et materiale for at ændre dets fase, vi kan gå glip af den underliggende handling. "

Kaindl og hans kolleger har brugt ultrahurtige laserpulser til at pirre den mikroskopiske dynamik i korrelerede kvantematerialer for at få adgang til interaktionerne mellem elektronerne og med krystalets atomgitter i tidsområdet.

Til denne undersøgelse, forskerne arbejdede med lanthannickelat, et kvantemateriale og modelstribeforbindelse. I særdeleshed, forskerne undersøgte de elektroniske ladninger, der danner stribemønsteret, og hvordan de kobler sig til krystalgitteret.

Hvordan ladninger interagerer med krystallen er en vigtig ingrediens i stribe fysik, sagde forskerne.

"Krystalgitteret forvrænger kraftigt omkring ladningsstriberne, "sagde Giacomo Coslovich, der udførte arbejdet, mens han var postdoktor ved Berkeley Lab. "Denne ændring af krystalsymmetrien resulterer i nye gittervibrationer, som vi igen kan registrere med lys ved terahertz -frekvenser. "

Kaindl og Coslovich er tilsvarende forfattere til et papir, der rapporterer disse resultater i Videnskab fremskridt .

I deres eksperimenter, materialet optisk exciteres af en nær-infrarød laserpuls med en varighed på 50 femtosekunder, og sonderet med en terahertz -puls med variabel tidsforsinkelse. Et femtosekund er en milliontedel af en milliarddel af et sekund.

Forskerne fandt uventet dynamik, når de brugte laseren til at forstyrre den mikroskopiske rækkefølge.

"Det interessante er, at mens laseren straks ophidsede elektronerne, vibrationsforvridningerne i krystallen forblev oprindeligt frosne, sagde Coslovich, som nu er associeret medarbejder ved SLAC National Accelerator Laboratory. "Stribefasevibrationerne forsvandt først efter flere hundrede til et par tusinde femtosekunder. Vi konkluderede også, at hastigheden afhænger af interaktionens retning."

Fortolkningen af ​​eksperimenterne blev understøttet af simuleringer af phonon -spredningen af ​​Alexander Kemper fra North Carolina State University.

Resultaterne giver vigtig indsigt i interaktionerne, eller "lim, "at par elektroner til gittervibrationer i lanthan -nikkelatet. Dog, deres bredere relevans stammer fra nylige observationer af ladningsrækkefølge i høj temperatur superledere - materialer, hvor elektriske strømme kan strømme uden modstand ved temperaturer over kogepunktet for flydende nitrogen. Mens mekanismen stadig er forvirrende, nylige undersøgelser viste evnen til at fremkalde superledning ved at undertrykke striber med korte lyspulser.

"Fluktuerende striber menes at forekomme i utraditionelle superledere. Vores undersøgelse sætter en hastighedsgrænse for, hvor hurtigt sådanne mønstre kan ændre sig, "sagde Kaindl." Det fremhæver vigtigheden af ​​at overveje både den rumlige og tidsmæssige struktur af limen. "