En ny tilgang til overvågning af ultrahurtige excitationer i korrelerede systemer

Et internationalt team af forskere har præsenteret nye ideer til ultrahurtig multidimensionel spektroskopi af stærkt korrelerede faste stoffer. Deres arbejde er udgivet i Nature Photonics.

Holdet involverede forskere fra det europæiske XFEL med kolleger fra Max Born Institute i Berlin, Universiteterne i Berlin og Hamborg, Universitetet i Tokyo, det japanske Nationale Institut for Avanceret Industriel Videnskab og Teknologi (AIST), det hollandske Radboud Universitet, Imperial College London og Hamburg Center for Ultrafast Imaging.

"Stærkt korrelerede faste stoffer er komplekse og fascinerende kvantesystemer, hvori nye elektroniske tilstande ofte opstår, især når de interagerer med lys," siger Alexander Lichtenstein fra Hamburg University og Eu-XFEL.

Stærkt korrelerede materialer, som blandt andet omfatter højtemperatur-superledere, visse typer magnetiske materialer og snoede kvantematerialer, udfordrer begge vores grundlæggende forståelse af mikrokosmos og giver muligheder for mange spændende anvendelser lige fra materialevidenskab til informationsbehandling til medicin:f.eks. bruges superledere af MR-scannere.

Derfor er det meget vigtigt at forstå hierarkiet og samspillet mellem de forskellige elektroniske tilstande, der opstår i stærkt korrelerede materialer. Samtidig udfordrer det vores eksperimentelle og teoretiske værktøjer, fordi transformationer mellem disse tilstande ofte er forbundet med faseovergange.

Faseovergange er transformationer, der ikke udvikler sig jævnt fra et trin til det næste, men kan forekomme pludseligt og hurtigt, især når materialet interagerer med lys.

Hvad er ladnings- og energistrømmens veje under sådan en overgang? Hvor hurtigt sker det? Kan lys bruges til at styre det og til at forme elektronkorrelationerne? Kan lyset bringe materialet i en tilstand, som materialet ikke ville befinde sig i under de sædvanlige omstændigheder?

Det er den type spørgsmål, der kan løses med kraftfulde og følsomme enheder som røntgenlasere, såsom den europæiske XFEL i Schenefeld nær Hamborg, og med de moderne optiske værktøjer fra attosecond videnskab (1 attosecond =10 ^-18 anden. På et attosekund rejser lyset mindre end en milliontedel af en millimeter).

I deres arbejde præsenterer det internationale team nu en helt ny tilgang, der gør det muligt at overvåge og dechifrere den ultrahurtige ladningsbevægelse, der udløses af kort laserimpuls, der belyser et stærkt korreleret system. De har udviklet en variant af ultrahurtig multi-dimensionel spektroskopi, der drager fordel af attosecond-kontrollen af, hvordan flere farver lys tilføjer til at danne en ultrakort laserpuls.

Den undercykliske tidsmæssige opløsning, som denne spektroskopi tilbyder, viser det komplekse samspil mellem de forskellige elektroniske konfigurationer og demonstrerer, at en faseovergang fra en metallisk tilstand til en isolerende tilstand kan finde sted inden for mindre end et femtosekund - dvs. på mindre end en kvadrilliontedel af et sekund.

"Vores resultater åbner op for en måde at undersøge og specifikt påvirke ultrahurtige processer i stærkt korrelerede materialer, der går ud over tidligere metoder," siger Olga Smirnova fra Max Born-instituttet og Berlin TU, modtager af Mildred Dresselhaus-prisen fra Hamburg Center for Ultrafast Imaging . "Vi har således udviklet et nøgleværktøj til at få adgang til nye ultrahurtige fænomener i korrelerede faste stoffer."

Flere oplysninger: Sub-cyklus multidimensionel spektroskopi af stærkt korrelerede materialer, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01371-1

Journaloplysninger: Naturfotonik

Leveret af Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)