29 июля 2022

Исследователи фиксируют квантовое состояние, скрытое в двумерном кристалле, в режиме реального времени

Впервые ученые из Массачусетского технологического института и Техасского университета в Остине сообщают о том, что им удалось увековечить вызванную светом метастабильную квантовую фазу с помощью передовых спектроскопических методов. Понимание происхождения этого состояния позволит как исследовать неравновесную термодинамику, так и разработать оптоэлектронные устройства с фотоответами по требованию.

Сверхбыстрое взаимодействие света и материи может вызвать многие так называемые "экзотические" явления в квантовых материалах, такие как светоиндуцированная (или фотоиндуцированная) сверхпроводимость. Исследования скрытых фотоиндуцированных фаз, т.е. термически недоступных неравновесных состояний, все еще продолжаются.

Исследователи в новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, сообщают, что некоторые из этих фаз могут сохраняться неопределенно долго при подходящих условиях окружающей среды, хотя многие скрытые фазы, индуцированные лазерными импульсами, недолговечны.

"Для этих неравновесных метастабильных фаз остаются значительные пробелы в нашем понимании", — пишут они. Действительно, картирование сверхбыстрого образования долгоживущей скрытой фазы остается давней проблемой, поскольку исходное состояние быстро не восстанавливается. "Понимание происхождения этих метастабильных квантовых фаз важно для ответа на давние фундаментальные вопросы неравновесной термодинамики", — сказал в своем заявлении Кит А. Нельсон, соавтор исследования и профессор химии Массачусетского технологического института.

Неравновесная термодинамика — это область исследований, изучающая необратимые явления, не находящиеся в термодинамическом равновесии. Она связана с процессами переноса и скоростями химических реакций.

Поэтому исследователи разработали передовой лазерный метод для получения снимков этих явлений в квантовых материалах с временным разрешением в 100 фемтосекунд. Материалом электронного кристалла является дисульфид тантала (1T-TaS2), образованный слоями атомов тантала и серы, неплотно уложенных друг на друга.

"Обычно направление лазеров на материалы означает их нагревание, но не в этом случае", — добавляет Жуцюань Чжан, соавтор исследования и аспирант химического факультета Массачусетского технологического института. "Здесь облучение кристалла перестраивает электронный порядок, создавая совершенно новую фазу, отличную от той, которая образуется при высоких температурах. Затем атомы и электроны в материале образуют структуру "звезду Давида", видимую в наномасштабе". "Это переходное квантовое состояние, замороженное во времени, — объясняет Эдоардо Балдини, соавтор исследования и доцент физики в UT-Austin, - Эту скрытую фазу, индуцированную светом, наблюдали и раньше, но сверхбыстрые квантовые процессы, лежащие в основе ее возникновения, были до сих пор неизвестны".

В деталях американские ученые разработали новый метод получения нескольких сотен отдельных лазерных импульсов из одного лазерного импульса зонда. Эти многочисленные импульсы достигают образца в разное время, и их изменения после отражения/передачи образцом были измерены.

Это позволило воссоздать фильм, дающий микроскопическое представление о механизмах, с помощью которых происходят превращения. В итоге авторы продемонстрировали, что слияние волн плотности заряда и флуктуации реорганизации приводят к образованию скрытого состояния.

Они утверждают, что их результаты проливают свет на происхождение этого неуловимого состояния и прокладывают путь к открытию других экзотических фаз материи - хотя исследование проводилось с конкретным материалом. В дополнение к этому, они могут позволить разработать оптоэлектронные устройства с фотореакцией по требованию.