Forskere fanger første gang nogensinde en skjult kvantefase i en 2D-krystal

Udviklingen af ​​højhastigheds-strobe-flash-fotografering i 1960'erne af den afdøde MIT-professor Harold "Doc" Edgerton gjorde det muligt for os at visualisere begivenheder for hurtigt for øjet - en kugle, der gennemborede et æble, eller en dråbe, der ramte en mælkepool.

Nu, ved at bruge en række avancerede spektroskopiske værktøjer, har forskere ved MIT og University of Texas i Austin for første gang fanget snapshots af en lys-induceret metastabil fase skjult fra ligevægtsuniverset. Ved at bruge single-shot spektroskopiteknikker på en 2D krystal med nanoskalamodulationer af elektrondensitet, var de i stand til at se denne overgang i realtid.

"Med dette arbejde viser vi fødslen og udviklingen af ​​en skjult kvantefase induceret af en ultrakort laserpuls i en elektronisk moduleret krystal," siger Frank Gao Ph.D. '22, medforfatter på et papir om arbejdet, som i øjeblikket er postdoc ved UT Austin.

"Normalt er skinnende lasere på materialer det samme som at opvarme dem, men ikke i dette tilfælde," tilføjer Zhuquan Zhang, co-lead forfatter og nuværende MIT kandidatstuderende i kemi. "Her omarrangerer bestråling af krystallen den elektroniske rækkefølge, hvilket skaber en helt ny fase, der er forskellig fra den høje temperatur."

Et papir om denne forskning blev offentliggjort i dag i Science Advances . Projektet blev i fællesskab koordineret af Keith A. Nelson, Haslam og Dewey professor i kemi ved MIT, og af Edoardo Baldini, en assisterende professor i fysik ved UT-Austin.

Lasershows

"Det er vigtigt at forstå oprindelsen af ​​sådanne metastabile kvantefaser for at løse mangeårige grundlæggende spørgsmål inden for termodynamik uden ligevægt," siger Nelson.

"Nøglen til dette resultat var udviklingen af ​​en state-of-the-art lasermetode, der kan 'lave film' af irreversible processer i kvantematerialer med en tidsopløsning på 100 femtosekunder." tilføjer Baldini.

Materialet, tantaldisulfid, består af kovalent bundne lag af tantal- og svovlatomer, der er stablet løst oven på hinanden. Under en kritisk temperatur mønstrer materialets atomer og elektroner i nanoskala "Davidsstjerne"-strukturer - en ukonventionel fordeling af elektroner kendt som en "ladningstæthedsbølge."

Dannelsen af ​​denne nye fase gør materialet til en isolator, men en enkelt, intens lysimpuls skubber materialet ind i et metastabilt skjult metal. "Det er en forbigående kvantetilstand frosset i tid," siger Baldini. "Folk har observeret denne lys-inducerede skjulte fase før, men de ultrahurtige kvanteprocesser bag dens tilblivelse var stadig ukendte."

Nelson tilføjer, "En af hovedudfordringerne er, at observation af en ultrahurtig transformation fra én elektronisk ordre til en, der kan fortsætte i det uendelige, ikke er praktisk med konventionelle tidsopløste teknikker."

Indsigtsimpulser

Forskerne udviklede en unik metode, der involverede opdeling af en enkelt probelaserimpuls i flere hundrede forskellige probeimpulser, der alle ankom til prøven på forskellige tidspunkter, før og efter skift blev initieret af en separat, ultrahurtig excitationsimpuls. Ved at måle ændringer i hver af disse probeimpulser, efter at de blev reflekteret fra eller transmitteret gennem prøven, og derefter kæde måleresultaterne sammen som individuelle billeder, kunne de konstruere en film, der giver mikroskopisk indsigt i de mekanismer, hvorigennem transformationer finder sted.

Ved at fange dynamikken i denne komplekse fasetransformation i en enkeltskudsmåling, viste forfatterne, at smeltningen og omorganiseringen af ​​ladningstæthedsbølgen fører til dannelsen af ​​den skjulte tilstand. Teoretiske beregninger af Zhiyuan Sun, en postdoc ved Harvard Quantum Institute, bekræftede denne fortolkning.

Mens denne undersøgelse blev udført med et specifikt materiale, siger forskerne, at den samme metode nu kan bruges til at studere andre eksotiske fænomener i kvantematerialer. Denne opdagelse kan også hjælpe med udviklingen af ​​optoelektroniske enheder med on-demand fotoresponser. + Udforsk yderligere

Fysikere bruger ekstreme infrarøde laserimpulser til at afsløre frosne elektronbølger i magnetit

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.