Fysik eksperimenterer med ultrahurtige laserpulser producerer en tidligere usynlig fase af stof

Tilføjelse af energi til ethvert materiale, som f.eks. ved opvarmning, gør næsten altid strukturen mindre velordnet. Is, for eksempel, med sin krystallinske struktur, smelter for at blive flydende vand, helt uden ordre.

Men i nye eksperimenter af fysikere på MIT og andre steder, det modsatte sker:Når et mønster kaldet en ladningstæthedsbølge i et bestemt materiale rammes med en hurtig laserpuls, der skabes en helt ny ladningstæthed -bølge - en meget ordnet tilstand, i stedet for den forventede lidelse. Det overraskende fund kan hjælpe med at afsløre usynlige egenskaber i materialer af enhver art.

Opdagelsen rapporteres i dag i journalen Naturfysik , i et papir af MIT-professorerne Nuh Gedik og Pablo Jarillo-Herrero, postdoc Anshul Kogar, kandidatstuderende Alfred Zong, og 17 andre på MIT, Harvard Universitet, SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, og Argonne National Laboratory.

Eksperimenterne brugte et materiale kaldet lanthan tritellurid, som naturligt danner sig selv i en lagdelt struktur. I dette materiale, et bølgelignende mønster af elektroner i områder med høj og lav densitet dannes spontant, men er begrænset til en enkelt retning inden i materialet. Men når den rammes med et ultrahurtigt udbrud af laserlys - mindre end et picosekund langt, eller under en billioner af et sekund - det mønster, kaldet en ladningstæthedsbølge eller CDW, er udslettet, og en ny CDW, vinkelret på originalen, dukker op til eksistens.

Denne nye, vinkelret CDW er noget, der aldrig er blevet observeret før i dette materiale. Den eksisterer kun for et øjeblik, forsvinder inden for et par picosekunder mere. Da det forsvinder, den originale kommer tilbage til syne, tyder på, at dens tilstedeværelse på en eller anden måde var blevet undertrykt af den nye.

Gedik forklarer, at i almindelige materialer, elektronens tæthed i materialet er konstant i hele deres volumen, men i visse materialer, når de afkøles til en bestemt temperatur, elektronerne organiserer sig i et CDW med skiftevis regioner med høj og lav elektrontæthed. I lanthan tritellurid, eller LaTe ₃ , CDW er langs en fast retning inden i materialet. I de to andre dimensioner, elektrontætheden forbliver konstant, som i almindelige materialer.

Den vinkelrette version af CDW, der vises efter laserlysets udbrud, er aldrig før blevet observeret i dette materiale, Siger Gedik. Det blinker bare kort, og så er det væk, "Kogar siger, skal erstattes af det originale CDW -mønster, der straks dukker op igen.

Gedik påpeger, at "dette er ret usædvanligt. I de fleste tilfælde er når du tilføjer energi til et materiale, du reducerer orden. "

"Det er som om disse to [slags CDW] konkurrerer - når en dukker op, den anden går væk, "Kogar siger." Jeg synes, at det virkelig vigtige koncept her er fasekonkurrence. "

Tanken om, at to mulige materielle tilstande kan være i konkurrence, og at den dominerende tilstand undertrykker en eller flere alternative tilstande, er ret almindelig i kvantematerialer, siger forskerne. Dette tyder på, at der kan være latente stater, der lurer uset i mange slags sager, der kan afsløres, hvis der kan findes en måde at undertrykke den dominerende stat. Det er hvad der ser ud til at ske i tilfælde af disse konkurrerende CDW -stater, der anses for at være analoge med krystalstrukturer på grund af de forudsigelige, ordnede mønstre af deres subatomære bestanddele.

Normalt, alle stabile materialer findes i deres minimale energitilstande - det vil sige af alle mulige konfigurationer af deres atomer og molekyler, materialet sætter sig i den tilstand, der kræver mindst energi for at vedligeholde sig selv. Men for en given kemisk struktur, der kan være andre mulige konfigurationer, materialet potentielt kan have, bortset fra at de undertrykkes af den dominerende, tilstand med lavest energi.

"Ved at slå den dominerende stat ud med lys, måske kan de andre stater realiseres, "Siger Gedik. Og fordi de nye stater dukker op og forsvinder så hurtigt, "du kan tænde og slukke dem, "som kan vise sig nyttig for nogle informationsbehandlingsapplikationer.

Muligheden for at undertrykke andre faser kan afsløre helt nye materialegenskaber åbner mange nye forskningsområder, Siger Kogar. "Målet er at finde faser af materiale, der kun kan eksistere ud af ligevægt, "siger han - med andre ord stater, der aldrig ville kunne opnås uden en metode, såsom dette system med hurtige laserpulser, for at undertrykke den dominerende fase.

Gedik tilføjer, at "normalt, for at ændre fasen af ​​et materiale prøver du kemiske ændringer, eller pres, eller magnetfelter. I dette arbejde, vi bruger lys til at foretage disse ændringer. "

De nye fund kan hjælpe med til bedre at forstå fasekonkurrencens rolle i andre systemer. Dette kan igen hjælpe med at besvare spørgsmål som hvorfor superledelse forekommer i nogle materialer ved relativt høje temperaturer, og kan hjælpe i jagten på at opdage endnu højere temperatur superledere.Gedik siger, "Hvad hvis alt du skal gøre er at skinne lys på et materiale, og denne nye stat bliver til? "

Arbejdet blev støttet af det amerikanske energiministerium, SLAC National Accelerator Laboratory, Skoltech-MIT NGP-programmet, Center for Excitonics, og Gordon og Betty Moore Foundation.