Undersøgelse viser, hvad der sker, når ultrahurtige laserpulser, ikke varme, få et materiale til at ændre fase

Den måde, hvorpå almindelige materialer gennemgår en faseændring, såsom smeltning eller frysning, er blevet undersøgt i detaljer. Nu, et team af forskere har observeret, at når de udløser en faseændring ved hjælp af intense pulser af laserlys, i stedet for ved at ændre temperaturen, processen foregår meget forskelligt.

Forskere havde længe mistanke om, at dette kan være tilfældet, men processen er ikke blevet observeret og bekræftet før nu. Med denne nye forståelse, forskere kan muligvis udnytte mekanismen til brug i nye former for optoelektroniske enheder.

De usædvanlige fund er rapporteret i dag i journalen Naturfysik . Teamet blev ledet af Nuh Gedik, professor i fysik ved MIT, med kandidatstuderende Alfred Zong, postdoc Anshul Kogar, og 16 andre på MIT, Stanford University, og Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) i Rusland.

Til denne undersøgelse, i stedet for at bruge en egentlig krystal som is, teamet brugte en elektronisk analog kaldet en ladningstæthedsbølge - en frossen elektrontæthedsmodulation i et fast stof - der efterligner karakteristika for et krystallinsk fast stof.

Mens den typiske smelteadfærd i et materiale som is foregår på en relativt ensartet måde gennem materialet, når smeltningen induceres i ladningstæthedsbølgen af ​​ultrahurtige laserpulser, processen fungerede ganske anderledes. Forskerne fandt ud af, at under den optisk inducerede smeltning, faseændringen fortsætter ved at generere mange singulariteter i materialet, kendt som topologiske defekter, og disse påvirker igen den efterfølgende dynamik af elektroner og gitteratomer i materialet.

Disse topologiske defekter, Gedik forklarer, er analoge med små hvirvler, eller hvirvler, der opstår i væsker som vand. Nøglen til at observere denne unikke smelteproces var brugen af ​​et sæt ekstremt hurtige og præcise måleteknikker til at fange processen i aktion.

Den hurtige laserpuls, mindre end et picosekund langt (billioner af et sekund), simulerer den slags hurtige faseændringer, der sker. Et eksempel på en hurtig faseovergang er bratkøling-såsom pludselig at kaste et stykke halvsmeltet glødende jern i vand for at afkøle det næsten øjeblikkeligt. Denne proces adskiller sig fra den måde, materialer ændres på gennem gradvis opvarmning eller afkøling, hvor de har tid nok til at nå ligevægt - det vil sige at nå en ensartet temperatur hele vejen igennem - på hvert trin i temperaturændringen.

Selvom disse optisk inducerede faseændringer er blevet observeret før, den nøjagtige mekanisme, hvorigennem de fortsætter, var ikke kendt, Siger Gedik.

Teamet brugte en kombination af tre teknikker, kendt som ultrahurtig elektrondiffraktion, forbigående reflektivitet, og tids- og vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, at samtidig observere reaktionen på laserpulsen. Til deres undersøgelse, de brugte en forbindelse af lanthan og tellur, LaTe3, som er kendt for at være vært for ladningstæthedsbølger. Sammen, disse instrumenter gør det muligt at spore elektronernes og atomernes bevægelser i materialet, når de ændrer sig og reagerer på pulsen.

I forsøgene, Gedik siger, "vi kan se, og lav en film af, elektronerne og atomerne, da ladningstæthedsbølgen smelter, "og fortsæt derefter med at se, hvordan den ordnede struktur derefter forsvinder. Forskerne kunne tydeligt observere og bekræfte eksistensen af ​​disse hvirvellignende topologiske defekter.

De fandt også ud af, at tiden for afklaring, som indebærer løsning af disse fejl, er ikke ensartet, men finder sted på flere tidspunkter. Intensiteten, eller amplitude, af ladningstæthedens bølge genopretter meget hurtigere end gitterets orden. Denne observation var kun mulig med pakken af ​​tidsopløste teknikker, der blev brugt i undersøgelsen, med hver et unikt perspektiv.

Zong siger, at et næste trin i forskningen vil være at forsøge at bestemme, hvordan de kan "konstruere disse fejl på en kontrolleret måde." Potentielt, der kan bruges som et datalagringssystem "ved hjælp af disse lysimpulser til at skrive fejl i systemet, og derefter en anden puls for at slette dem. "