Effektivitetsboost:Dobbelt lysimpulser minimerer energi til faseovergange

Typisk driver excitationen af ​​den isolerende fase med en lysimpuls en vanadiumdioxidkrystal til den metalliske fase. Allan Johnson og hans hold brugte en alternativ strategi. De brugte en svag puls til at forberede en sammenhængende vibrerende tilstand for yderligere at excitere prøven med en anden lyspuls efter en lille forsinkelse (i området af picosekunder).

Til deres forbløffelse fandt de ud af, at energitærsklen, ved hvilken materialet begynder at omdannes til den metalliske fase, afhænger af forsinkelsen mellem de to impulser, og at den nødvendige energi til at fuldføre faseovergangen er reduceret i dobbeltpulsskemaet, i sammenligning med enkeltpulsskemaet.

De bemærkelsesværdige resultater indikerer, at multiple excitationer kan sænke den nødvendige energi til at drive faseovergangen i vanadiumoxid op til 6%. På spørgsmålet om forbedringen siger Allan Johnson:"Dette virker måske ikke meget af en energibesparelse, men processen skal stadig være optimeret, og i øjeblikket ved vi ikke, hvor meget vi kan vinde. Desuden kan denne metode potentielt være anvendt på mange materialer, og det er meget lovende."

Det mest interessante ved deres opdagelse er, at processen nemt kunne overføres til eksisterende enheder, der arbejder med ultrahurtige pulserende laserstråler, simpelthen ved at dele pulsen i to og forsinke tiden mellem pulserne.

I modsætning til det begrænsede udvalg af materialer, der viser strukturel sammenhæng, kan korreleret lidelse i princippet induceres i ethvert fast stof. Som følge heraf kan den inhomogene såningsstrategi være anvendelig til en bred vifte af faste stoffer, herunder dem, der anvendes i energi- og datalagringsapplikationer.

Eureka-øjeblikket for Dr. Johnson var at indse, at deres røntgendata – erhvervet non-stop i løbet af tre lange dage og nætter på røntgenlaseranlæg i Japan – matchede de mange pulseksperimenter fra deres eget laboratorium. De forklarede, at kontrolmekanismen involverer dannelsen af ​​polaroner, kvasipartikler, der dannes på grund af koblingen af ​​overskydende elektroner eller huller med ioniske vibrationer.

Det er bemærkelsesværdigt, at mens andre videnskabsmænd har observeret lignende fænomener i deres laboratoriedata, forblev mekanismerne bag disse observationer undvigende indtil nu. Allan Johnson og hans samarbejdspartnere har belyst de underliggende processer og fremhævet dannelsen af ​​polaroner og deres rækkefølge i specifikke retninger som en nøglefaktor til at reducere energistraffen til den metalliske fase. At drive faseovergangen ved at ophidse denne uordnede bevægelsestilstand kan opnås med mindre energi.

Ydermere betyder den dynamiske barrieresænkning, at forskere er i stand til selektivt at reducere den energi, der kræves til den laserdrevne faseovergang uden at øge sandsynligheden for termisk omskiftning, i modsætning til andre metoder til at forbedre effektiviteten.

Resultaterne er blevet offentliggjort i Nature Physics . Implikationerne af denne forskning strækker sig ud over grundlæggende videnskab og tilbyder nye muligheder for præcis materialekontrol og teknologisk innovation. Mens teamet fortsætter med at optimere metoden og udforske nye materialer, er potentialet for transformative fremskridt inden for materialevidenskab og optisk kontrol fortsat højt.

Flere oplysninger: Allan S. Johnson et al., All-optical seeding of a light-induced faseovergang med korreleret lidelse, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02474-4

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af IMDEA Nanociencia