Demonstrationen af ​​ultrahurtig skift til en isolerende-lignende metastabil tilstand

I de seneste år, fysikere og elektronikingeniører har forsøgt at udtænke strategier til at kontrollere eller producere kvantetilstande af stof i forskellige materialer. Sådanne strategier kan i sidste ende vise sig værdifulde for udviklingen af ​​nye teknologiske enheder.

Forskere ved University of Tokyo og UMR 7162 CNRS Universitè Paris introducerede for nylig en ny tilgang til at opnå ultrahurtig omstilling af materialer til en isolerende-lignende metastabil tilstand. Deres strategi, introduceret i et papir udgivet i Naturfysik , er baseret på den direkte excitation af amplitude -tilstanden for en ladningstæthedsbølge (dvs. amplitudon) via anvendelse af en intens terahertz -puls.

"Vores primære interesse er at kontrollere kvantetilstande af stof ved lys på en ultrahurtig måde, samtidig med at vi undgår opvarmningseffekten." Ryo Shimano, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I korrelerede elektronmaterialer, flere kvantefaser, herunder superledning, densitetsbølger og magnetiske ordrer vises ved siden af ​​hinanden i deres fasediagram. Vi undersøger lysets potentiale som en justeringsknap for disse kvantefaser. "

I 2013, Det lykkedes Shimano og hans kolleger at observere en tidsdomænsoscillation af ordensparameter i en superleder, kaldet Higgs -tilstand, som er en superledende pendant til 'Higgs boson' inden for partikelfysik, opdaget på CERN i 2012. I 2014, de opdagede derefter, at Higgs -tilstanden i superledere kan blive direkte begejstret af terahertz (THz) lys, via den ikke -lineære kobling mellem Higgs -tilstand og elektromagnetisk felt. Forskernes nylige undersøgelse var inspireret af denne observation af den såkaldte Higgs-tilstand i superledere.

"Spørgsmålet bag vores undersøgelse var:kan vi forvente en faseovergang, når vi driver selve ordreparameteren i stor nok amplitude?" Sagde Shimano. "Faseovergangen gennem en sådan direkte kontrol af ordreparameteren er konceptionelt ny og spændende."

Som en del af deres seneste undersøgelse, Shimano og hans kolleger undersøgte specifikt 3R-TaSe ₂ , et todimensionalt (2D) materiale, hvor ladningstæthedsbølge (CDW) rækkefølge og superledningsevne forekommer ved lave temperaturer. I deres eksperimenter, de forsøgte at drive ordreparameteren for CDW direkte, uden at injicere den overskydende energi i systemet ved at spændende den såkaldte amplitudon-tilstand (dvs. en amplitudeoscillation af CDW -ordren, der er koblet til et fonon), som findes i THz -frekvensområdet.

"Vi vedtog den temmelig nyligt udviklede teknik med en intens THz-pulsgenerering og tidsopløst THz-spektroskopi, "Sagde Shimano." Først, det lykkedes os at drive CDW amplitude-tilstand gennem to-foton excitationsprocessen for den bestrålede THz-puls. Næste, vi overvågede den ultrahurtige dynamik i den elektroniske tilstand med en opløsning på et sekund under picosekund ved hjælp af THz-sondepuls, der er følsom over for ladningsbærernes reaktion. "

Uventet, Shimano og hans kolleger opdagede, at der blev induceret en spaltestruktur i det optiske konduktivitetsspektrum i THz -frekvensområdet. Denne observation tyder på, at materialets oprindeligt metalliske tilstand delvist blev omdannet til en isolerende lignende tilstand cirka 1 picosekund efter sin excitation.

"Som regel, bestråling af lys på materialer har en tendens til at fremkalde metallicitet, da elektroner erhverver kinetisk energi og bliver mere mobile, "Shimano sagde." Den foreliggende sag er modsat denne almindelige tendens:En del elektroner fryser ved THz -excitationen. Da amplitudonen er en koblet elektron- og fononform, den intense THz -puls skal modulere gitterkonfigurationen gennem amplitudon -drivning. "

Baseret på resultaterne indsamlet i deres eksperimenter, Shimano og hans kolleger udledte, at en stor amplitude -svingning af fononen resulterer i en gennemsnitlig forskydning af materialets gitter, på grund af fonons ikke -linearitet. Denne proces ligner den udbedringseffekt, der finder sted i et elektrisk kredsløb.

Den ultrahurtige modulering af 3R-TaSe ₂ gitterkonfiguration kunne spille en nøglerolle for at muliggøre den skjulte isolerende lignende tilstand, som dette forskerteam observerede i det CDW-system, de undersøgte. I fremtiden, de vil gerne fastslå karakteren af ​​denne isolerende lignende tilstand, for at få en bedre forståelse af deres observationer. Ud over, de planlægger at undersøge samspillet mellem CDW -ordenen og superledningen yderligere, ved hjælp af lignende eksperimentelle metoder.

"Mere generelt, vores arbejde åbner en ny vej for den lysinducerede faseovergang på en 'kold' måde ved at undgå indsprøjtning af overskydende energi i elektronsystemet, "Sagde Shimano." Vi planlægger at bruge denne nye type tuningsknap til styring af kvantefaser, med det formål at afsløre det uudforskede landskab af kvantematerialer. "

© 2021 Science X Network