Эскиз установки UED в EPFL
1) Электронная пушка,
2) Высоковольтный разъем,
3) Фотокатод, 4) Анод,
5) Коллимирующий соленоид,
6) Управляющие пластины,
7) Фокусирующий соленоид,
8) ВЧ-резонатор,
9) Держатель образца,
10) Криостат,
11) Детектор электронов,
12) Турбонасос,
13) Иономер.
Фото: Труды Национальной академии наук (2024 г.). DOI: 10.1073/pnas.2316438121

«Некоторое время назад мы показали, что можно вызвать обратный фазовый переход в магнетите», — говорит физик Фабрицио Карбоне из EPFL. «Это как если бы вы взяли воду и могли бы превратить ее в лед, вложив в нее энергию с помощью лазера. Это противоречит здравому смыслу, поскольку обычно, чтобы заморозить воду, вы ее охлаждаете, то есть удаляете из нее энергию».

Теперь Карбоне возглавил исследовательский проект по выяснению и контролю микроскопических структурных свойств магнетита во время таких светоиндуцированных фазовых переходов.

Исследование показало, что, используя определенные длины волн света для фотовозбуждения, система может переводить магнетит в отдельные неравновесные метастабильные состояния («метастабильные» означает, что состояние может меняться при определенных условиях), называемые «скрытыми фазами», тем самым открывая новый протокол для манипулирования материалом в сверхбыстрые сроки.

Результаты, которые могут повлиять на будущее электроники, опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Что такое «неравновесные состояния»? «Состояние равновесия» — это, по сути, стабильное состояние, при котором свойства материала не меняются со временем, поскольку силы внутри него уравновешены. Когда это нарушается, говорят, что материал («система», если быть точным с точки зрения физики), переходит в неравновесное состояние, проявляя свойства, которые могут граничить с экзотическими и непредсказуемыми.

«Скрытые фазы» магнетита

Фазовый переход — это изменение состояния материала из-за изменений температуры, давления или других внешних условий. Повседневный пример — вода при кипении переходит из твердого льда в жидкость или из жидкости в газ.

Фазовые переходы в материалах обычно следуют предсказуемым путям в условиях равновесия. Но когда материалы выводятся из равновесия, они могут начать проявлять так называемые «скрытые фазы» — промежуточные состояния, которые обычно недоступны. Наблюдение скрытых фаз требует передовых методов, которые могут фиксировать быстрые и мельчайшие изменения в структуре материала.

Магнетит (Fe₃O₄) — хорошо изученный материал, известный своим интригующим переходом из металла в изолятор при низких температурах — от способности проводить электричество до активного его блокирования. Это известно как переход Вервея, и он значительно меняет электронные и структурные свойства магнетита.

Благодаря сложному взаимодействию кристаллической структуры, заряда и орбитального порядка магнетит может претерпевать переход металл-изолятор при температуре около 125 К.

Сверхбыстрые лазеры вызывают скрытые переходы в магнетите

«Чтобы лучше понять это явление, мы провели эксперимент, в котором непосредственно наблюдали за движением атомов, происходящим во время такого преобразования», — говорит Карбоне. «Мы обнаружили, что лазерное возбуждение переводит твердое тело в несколько различных фаз, которые не существуют в равновесных условиях».

В экспериментах использовались две разные длины волн света: ближняя инфракрасная (800 нм) и видимая (400 нм). При возбуждении световыми импульсами длиной 800 нм структура магнетита нарушалась, создавая смесь металлических и изолирующих областей. Напротив, световые импульсы длиной 400 нм сделали магнетит более стабильным изолятором.

Чтобы отслеживать структурные изменения в магнетите, вызванные лазерными импульсами, исследователи использовали дифракцию сверхбыстрых электронов — метод, который может «видеть» движения атомов в материалах в субпикосекундных масштабах времени (пикосекунда — это триллионная доля секунды).

Эта техника позволила ученым наблюдать, как различные длины волн лазерного света фактически влияют на структуру магнетита на атомном уровне.

Кристаллическая структура магнетита представляет собой так называемую «моноклинную решетку», где элементарная ячейка имеет форму перекошенного ящика с тремя неравными краями, два угла которых составляют 90 градусов, а третий — другой.

Когда свет с длиной волны 800 нм падал на магнетит, он вызывал быстрое сжатие моноклинной решетки магнетита, превращая ее в кубическую структуру. Это происходит в три этапа в течение 50 пикосекунд и предполагает, что внутри материала происходят сложные динамические взаимодействия. И наоборот, видимый свет с длиной волны 400 нм заставил решетку расширяться, укрепляя моноклинную решетку и создавая более упорядоченную фазу — стабильный изолятор.

Фундаментальные последствия и технологические применения

Исследование показывает, что электронными свойствами магнетита можно управлять, выборочно используя разные длины волн света. Понимание этих индуцированных светом переходов дает ценную информацию о фундаментальной физике сильно коррелированных систем.

«Наше исследование открывает возможности для нового подхода к управлению материей в сверхбыстрых временных масштабах с использованием адаптированных фотонных импульсов», — пишут исследователи.

Возможность создавать и контролировать скрытые фазы в магнетите может иметь важное значение для разработки современных материалов и устройств. Например, материалы, способные быстро и эффективно переключаться между различными электронными состояниями, могут быть использованы в вычислительных устройствах и устройствах памяти следующего поколения.