Kraftfuldt nyt værktøj indvarsler en ny æra af kvantematerialeforskning

Forskning i kvantematerialer baner vejen for banebrydende opdagelser og er klar til at drive teknologiske fremskridt, der vil omdefinere landskaberne i industrier som minedrift, energi, transport og medicin.

En teknik kaldet tids- og vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (TR-ARPES) er dukket op som et kraftfuldt værktøj, der gør det muligt for forskere at udforske kvantematerialers ligevægt og dynamiske egenskaber via lys-stof-interaktion.

Udgivet i Review of Modern Physics , et nyligt reviewpapir af professor Fabio Boschini fra Institut national de la recherche scientifique (INRS), sammen med kollegerne Marta Zonno fra Canadian Light Source (CLS) og Andrea Damascelli fra UBC's Steward Blusson Quantum Matter Institute (QMI), illustrerer, at TR -ARPES er hurtigt modnet til en kraftfuld teknik i løbet af de sidste to årtier.

"TR-ARPES er en effektiv teknik, ikke kun til fundamentale undersøgelser, men også til at karakterisere ude-af ligevægtsegenskaber af kvantematerialer til fremtidige anvendelser," siger professor Boschini, som er specialiseret i ultrahurtige spektroskopier af kondenseret stof, ved Énergie Matériaux Télécommunications Research Center.

Et revolutionerende værktøj til forskning i kvantematerialer

Det nye papir giver en omfattende gennemgang af forskning ved hjælp af TR-ARPES og dens udviklende betydning i udforskning af lysinduceret elektrondynamik og faseovergange i en bred vifte af kvantematerialer.

"Det videnskabelige samfund undersøger i øjeblikket nye 'tuning-knapper' til at kontrollere de elektroniske, transport- og magnetiske egenskaber af kvantematerialer efter behov. En af disse 'tuning-knapper' er lys-stof-interaktionen, som lover at give fin kontrol af egenskaber af kvantematerialer på ultrahurtige tidsskalaer," siger professor Boschini, som også er en QMI affiliate investigator.

"TR-ARPES er den ideelle teknik til dette formål, da den giver direkte indsigt i, hvordan lysexcitation ændrer elektroniske tilstande med tid, energi og momentumopløsning."

"TR-ARPES har indvarslet en ny æra af kvantematerialeforskning, som giver os mulighed for at 'banke på systemet' og observere, hvordan det reagerer, og skubbe materialerne ud af ligevægt for at afsløre deres skjulte egenskaber," tilføjer Blusson QMI Scientific Director Andrea Damascelli.

Samarbejde i hjertet af TR ARPES' succes

TR-ARPES kombinerer kondenseret stof spektroskopi (ARPES) med ultrahurtige lasere (fotonik), og samler forskergrupper fra begge felter. Teknikken skylder en stor del af sin succes til betydelige fremskridt i udviklingen af ​​nye laserkilder, der er i stand til at producere lys med præcise karakteristika.

Boschini arbejder tæt sammen om emnet med professor François Légaré, fuld professor ved INRS og ekspert i ultrahurtig laservidenskab og teknologi. Sammen byggede og driver Boschinis og Légarés grupper en avanceret TR-ARPES-endestation med unikke intense langbølgelængde-excitationskapaciteter i laboratoriet Advanced Laser Light Source (ALLS).

"Takket være støtten fra Canada Foundation for Innovation (CFI), regeringerne i Québec (MEIE) og Canada, og LaserNetUS, samt det nylige CFI Major Science Initiatives-program, er vi nu i den privilegerede position at åbne TR -ARPES-slutstation ved ALLS til nationale og internationale brugere," siger professor Légaré, direktør for Énergie Matériaux Télécommunications Research Center ved INRS og videnskabelig chef for ALLS.

Ifølge professor Boschini er TR-ARPES nu en moden teknik med en dokumenteret indflydelse på forskellige grene af fysik og kemi. "Yderligere eksperimentelle og teoretiske udviklinger, der ligner det, vi laver på ALLS, tyder på, at der venter endnu mere spændende tider forude," slutter han.

Flere oplysninger: Fabio Boschini et al., Tidsløste ARPES-studier af kvantematerialer, Reviews of Modern Physics (2024). DOI:10.1103/RevModPhys.96.015003

Leveret af INRS