Et kvantegennembrud bringer en teknik fra astronomi til nanoskalaen

Forskere ved Columbia University og University of California, San Diego, har introduceret en ny "multi-messenger" tilgang til kvantefysik, der betegner et teknologisk spring i, hvordan forskere kan udforske kvantematerialer.

Resultaterne fremgår af en nylig artikel, der blev offentliggjort i Naturmaterialer , ledet af A. S. McLeod, postdoktor, Columbia Nano Initiative, med medforfattere Dmitri Basov og A. J. Millis i Columbia og R.A. Averitt ved UC San Diego.

"Vi har bragt en teknik fra den inter-galaktiske skala ned til området for den ultra-lille, sagde Basov, Higgins professor i fysik og direktør for Energy Frontier Research Center i Columbia. Udstyret med multimodale nanovidenskabsværktøjer kan vi nu rutinemæssigt gå til steder, som ingen troede ville være mulige så sent som for fem år siden. "

Værket var inspireret af "multi-messenger" astrofysik, som opstod i løbet af det sidste årti som en revolutionerende teknik til undersøgelse af fjerne fænomener som fusioner af sorte huller. Samtidig måling fra instrumenter, herunder infrarød, optisk, Røntgen- og gravitationsbølge-teleskoper kan, taget sammen, levere et fysisk billede større end summen af ​​deres individuelle dele.

Der søges efter nye materialer, der kan supplere den nuværende afhængighed af elektroniske halvledere. Kontrol over materialegenskaber ved hjælp af lys kan tilbyde forbedret funktionalitet, hastighed, fleksibilitet og energieffektivitet til næste generations computerplatforme.

Eksperimentelle artikler om kvantematerialer har typisk rapporteret resultater opnået ved kun at bruge en type spektroskopi. Forskerne har vist kraften ved at bruge en kombination af måleteknikker til samtidig at undersøge elektriske og optiske egenskaber.

Forskerne udførte deres eksperiment ved at fokusere laserlys på den skarpe spids af en nålesonde belagt med magnetisk materiale. Når tynde film af metaloxid udsættes for en unik belastning, ultrahurtige lysimpulser kan få materialet til at skifte til en uudforsket fase af nanometer-skala domæner, og ændringen er reversibel.

Ved at scanne sonden over overfladen af ​​deres tynde filmprøve, forskerne var i stand til at udløse ændringen lokalt og samtidig manipulere og registrere det elektriske, magnetiske og optiske egenskaber for disse lysudløste domæner med nanometer-skala præcision.

Undersøgelsen afslører, hvordan uventede egenskaber kan dukke op i længe undersøgte kvantematerialer på ultraklasse skalaer, når forskere justerer dem efter stamme.

"Det er relativt almindeligt at studere disse nanofasematerialer med scanningsprober. Men det er første gang, en optisk nanosonde er blevet kombineret med samtidig magnetisk nanobilleddannelse, og alt sammen ved de meget lave temperaturer, hvor kvantematerialer viser deres fortjeneste, "Sagde McLeod." Nu, undersøgelse af kvantematerialer ved hjælp af multimodal nanovidenskab tilbyder et middel til at lukke kredsløbet om programmer til at konstruere dem. "