Получено первое в истории изображение скрытой квантовой фазы в двумерном кристалле
Ученые из Массачусетского технологического института и Техасского университета в Остине впервые сделали снимки индуцированной светом метастабильной фазы, скрытой от равновесной Вселенной. Используя методы однократной спектроскопии на двумерном кристалле с наноразмерными модуляциями электронной плотности, они смогли наблюдать этот переход в режиме реального времени.
Эта иллюстрация представляет индуцированный светом коллапс наноразмерного порядка заряда в двумерном кристалле дисульфида тантала (формы звезды) и образование скрытого метастабильного металлического состояния (сферы). Кредит: Фрэнк И Гао
Разработка высокоскоростной фотографии со стробоскопической вспышкой в 1960-х годах покойным профессором Массачусетского технологического института Гарольдом «Док» Эдгертоном позволила нам визуализировать события слишком быстро для глаза — пуля, пронзающая яблоко, или капля, попавшая в лужу молока.
Теперь, используя набор передовых спектроскопических инструментов, ученые из Массачусетского технологического института и Техасского университета в Остине впервые сделали снимки индуцированной светом метастабильной фазы, скрытой от равновесной Вселенной. Используя методы однократной спектроскопии на двумерном кристалле с наноразмерными модуляциями электронной плотности, они смогли наблюдать этот переход в режиме реального времени.
«С помощью этой работы мы показываем рождение и эволюцию скрытой квантовой фазы, индуцированной ультракоротким лазерным импульсом в кристалле с электронной модуляцией», — говорит доктор философии Франк Гао. 22 года, соавтор статьи о работе, в настоящее время является постдоком в UT Austin.
«Обычно светить лазером на материалы — это то же самое, что нагревать их, но не в этом случае», — добавляет Чжуцюань Чжан, соавтор и нынешний аспирант химического факультета Массачусетского технологического института. «Здесь облучение кристалла перестраивает электронный порядок, создавая совершенно новую фазу, отличную от высокотемпературной».
Статья об этом исследовании была опубликована сегодня в журнале Science Advances. Проект совместно координировали Кит А. Нельсон, профессор химии Хаслама и Дьюи в Массачусетском технологическом институте, и Эдоардо Бальдини, доцент физики в UT-Остин.
Лазерные шоу
«Понимание происхождения таких метастабильных квантовых фаз важно для решения давних фундаментальных вопросов неравновесной термодинамики», — говорит Нельсон.
«Ключом к этому результату стала разработка современного лазерного метода, который может «снимать фильмы» о необратимых процессах в квантовых материалах с временным разрешением 100 фемтосекунд», добавляет Бальдини.
Материал, дисульфид тантала, состоит из ковалентно связанных слоев атомов тантала и серы, свободно уложенных друг на друга. Ниже критической температуры атомы и электроны материала образуют наноразмерные структуры «звезды Давида» — нетрадиционное распределение электронов, известное как «волна плотности заряда».
Формирование этой новой фазы делает материал изолятором, но один единственный интенсивный световой импульс превращает материал в метастабильный скрытый металл. «Это переходное квантовое состояние, застывшее во времени», — говорит Бальдини. «Люди наблюдали эту индуцированную светом скрытую фазу и раньше, но сверхбыстрые квантовые процессы, лежащие в ее основе, все еще были неизвестны».
Нельсон добавляет: «Одна из ключевых проблем заключается в том, что наблюдение за сверхбыстрым преобразованием одного электронного порядка в другой, который может сохраняться неопределенно долгое время, нецелесообразно с помощью традиционных методов с временным разрешением».
Импульсы озарения
Исследователи разработали уникальный метод, который включал разделение одного зондирующего лазерного импульса на несколько сотен отдельных зондирующих импульсов, которые все достигали образца в разное время до и после того, как переключение было инициировано отдельным сверхбыстрым импульсом возбуждения. Измеряя изменения в каждом из этих зондирующих импульсов после того, как они были отражены или пропущены через образец, а затем объединяя результаты измерений вместе, как отдельные кадры, они могли создать фильм, который дает микроскопическое представление о механизмах, посредством которых происходят преобразования.
Зафиксировав динамику этого сложного фазового превращения в однократном измерении, авторы продемонстрировали, что плавление и переупорядочение волны плотности заряда приводит к образованию скрытого состояния. Теоретические расчеты Zhiyuan Sun, постдока Гарвардского квантового института, подтвердили эту интерпретацию.
Хотя это исследование было проведено с одним конкретным материалом, исследователи говорят, что ту же методологию теперь можно использовать для изучения других экзотических явлений в квантовых материалах. Это открытие также может помочь в разработке оптоэлектронных устройств с фотореакцией по требованию.
