Lyser på de skjulte egenskaber ved kvantematerialer

Visse materialer har ønskværdige egenskaber, der er skjulte, og ligesom du ville bruge en lommelygte til at se i mørket, kan videnskabsmænd bruge lys til at afdække disse egenskaber.

Forskere ved University of California San Diego har brugt en avanceret optisk teknik til at lære mere om et kvantemateriale kaldet Ta₂ NiSe₅ (TNS). Deres arbejde vises i Naturmaterialer .

Materialer kan forstyrres gennem forskellige eksterne stimuli, ofte med ændringer i temperatur eller tryk; Men fordi lys er den hurtigste ting i universet, vil materialer reagere meget hurtigt på optiske stimuli og afsløre egenskaber, som ellers ville forblive skjulte.

"I bund og grund skinner vi med en laser på et materiale, og det er ligesom stop-action fotografering, hvor vi trinvist kan følge en bestemt egenskab ved det materiale," sagde professor i fysik Richard Averitt, der ledede forskningen og er en af ​​papirets forfattere. "Ved at se på, hvordan bestanddele partikler bevæger sig rundt i det system, kan vi pirre disse egenskaber, som det er virkelig vanskeligt at finde ellers."

Eksperimentet blev udført af hovedforfatteren Sheikh Rubaiat Ul Haque, som dimitterede fra UC San Diego i 2023 og nu er postdoc ved Stanford University. Sammen med Yuan Zhang, en anden kandidatstuderende i Averitts laboratorium, forbedrede han en teknik kaldet terahertz tidsdomænespektroskopi. Denne teknik gør det muligt for forskere at måle et materiales egenskaber over en række frekvenser, og Haques forbedringer gav dem adgang til et bredere udvalg af frekvenser.

Værket var baseret på en teori skabt af en anden af ​​papirets forfattere, Eugene Demler, professor ved ETH Zürich. Demler og hans kandidatstuderende Marios Michael udviklede ideen om, at når visse kvantematerialer exciteres af lys, kan de blive til et medium, der forstærker terahertz-frekvenslys. Dette fik Haque og kolleger til at se nærmere på de optiske egenskaber ved TNS.

Når en elektron exciteres til et højere niveau af en foton, efterlader den et hul. Hvis elektronen og hullet er bundet, dannes en exciton. Excitoner kan også danne et kondensat - en tilstand, der opstår, når partikler samles og opfører sig som en enkelt enhed.

Ved at bruge Haques teknik, understøttet af Demlers teori og ved hjælp af tæthedsfunktionelle beregninger af Angel Rubios gruppe ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, var holdet i stand til at observere unormal terahertz-lysforstærkning, som afslørede nogle af de skjulte egenskaber ved TNS exciton kondensat.

Kondensater er en veldefineret kvantetilstand, og ved at bruge denne spektroskopiske teknik kan nogle af deres kvanteegenskaber indprentes på lys. Dette kan have implikationer i det nye felt af sammenfiltrede lyskilder (hvor flere lyskilder har indbyrdes forbundne egenskaber) ved brug af kvantematerialer.

"Jeg tror, ​​det er et vidt åbent område," sagde Haque. "Demlers teori kan anvendes på en række andre materialer med ikke-lineære optiske egenskaber. Med denne teknik kan vi opdage nye lys-inducerede fænomener, som ikke er blevet udforsket før."

Flere oplysninger: Sheikh Rubaiat Ul Haque et al., Terahertz parametrisk forstærkning som en reporter af excitonkondensatdynamik, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01755-2

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af University of California - San Diego