Zapping af kvantematerialer med lasere fortæller os, hvordan atomer hænger sammen

Faseovergange er et grundlæggende stykke fysik og kemi. Vi kender alle til forskellige faser af vand, for eksempel, men denne idé om et system med partikler, der ændrer, hvordan det ser ud, og hvordan det opfører sig, er virkelig allestedsnærværende i videnskaben. Og mens vi kender resultatet af vand, der ændrer sig til is, den præcise proces fører til mange forskellige slags is:nogle gange er is gennemsigtig og andre gange ikke, og forskellen har at gøre med, hvordan du fryser det. Dermed, at studere, hvordan en faseovergang sker, fortæller os meget om grundlæggende fysik, og om de resulterende faser på begge sider.

På kvantefysisk niveau, den samme idé gælder. Vi kan se ændringen af ​​et system fra en tilstand til en anden, mens vi langsomt ændrer temperaturen på tværs af den kritiske temperatur; for eksempel, vi kan se, at materialet bliver hårdt, ligesom vi kan se isform. Men vi ser ikke detaljerne på atomniveau, som de sker. I dette arbejde, vi var i stand til at overvinde det og åbne et vindue til, hvordan atomerne omarrangerer sig fra en fase af systemet til en anden på atomiske (picosekund) tidsskalaer.

I dette særlige arbejde, vi studerede CeTe ₃ . Det er en del af en større klasse af materialer, den sjældne jordtri-tellurides. Hvis man ser på dens atomstruktur ved høje temperaturer, dette materiale er bygget som et stablet net af firkanter. Når temperaturen falder, firkanterne bliver til rektangler. Der er to retninger, dette kan ske i (lad os kalde dem A og B), men materialet vælger kun en. Hvilken en afhænger af hændelse - lokale belastninger og belastninger i materialet forårsaget af defekter.

I forsøget, vi brugte ultrakorte intense laserpulser til kortvarigt at tage systemet ud af sin "A" rektangel -tilstand og så hvordan det forsøgte at reformere. Da der ikke er nogen særlig stærk drivkraft mod enten rektangletilstand, systemet dannede både A- og B -rektangler. Da en af ​​rektanglerne (på picosekund atomiske tidsskalaer) dominerer den anden, små vandpytter af den "forkerte" tilstand forbliver, som er svære at slippe af med og holder i nanosekunder (100x længere).

Disse resultater fortæller os om grundlæggende aspekter af, hvordan faseændringer sker, hvordan forskellige dele af materialerne "taler" til hinanden for at justere deres atomer, så mønstrene matcher, og hvad energilandskabet er, som alt dette sker på.

Når vi ved, hvad der sker med kvantematerialer, og hvordan de ændrer deres tilstand på atomniveau, vi kan bruge den viden til at udvikle nye og bedre enheder, ligesom MR -maskiner, og bedre computerhukommelse.