Onderzoekers van Columbia University en University of California, San Diego, hebben een nieuwe "multi-messenger" -benadering van de kwantumfysica geïntroduceerd die een technologische sprong betekent in de manier waarop wetenschappers kwantummaterialen kunnen verkennen.

De bevindingen verschijnen in een recent artikel gepubliceerd in Natuurmaterialen , onder leiding van A.S. McLeod, postdoctoraal onderzoeker, Columbia Nano-initiatief, met co-auteurs Dmitri Basov en A.J. Millis in Columbia en R.A. Averitt bij UC San Diego.

"We hebben een techniek van de intergalactische schaal naar het rijk van de ultrakleine, " zei Basov, Higgins hoogleraar natuurkunde en directeur van het Energy Frontier Research Center in Columbia. Uitgerust met multimodale nanowetenschapshulpmiddelen kunnen we nu routinematig naar plaatsen gaan die vijf jaar geleden nog niet mogelijk waren."

Het werk is geïnspireerd op "multi-messenger" astrofysica, die in het afgelopen decennium naar voren kwam als een revolutionaire techniek voor de studie van verre fenomenen zoals het samensmelten van zwarte gaten. Gelijktijdige metingen van instrumenten, inclusief infrarood, optisch, Röntgen- en zwaartekrachtsgolftelescopen kunnen, bij elkaar genomen, leveren een fysiek beeld dat groter is dan de som van hun afzonderlijke delen.

Er wordt gezocht naar nieuwe materialen die de huidige afhankelijkheid van elektronische halfgeleiders kunnen aanvullen. Controle over materiaaleigenschappen met behulp van licht kan verbeterde functionaliteit bieden, snelheid, flexibiliteit en energie-efficiëntie voor computerplatforms van de volgende generatie.

Experimentele artikelen over kwantummaterialen hebben doorgaans resultaten gerapporteerd die zijn verkregen door slechts één type spectroscopie te gebruiken. De onderzoekers hebben de kracht aangetoond van het gebruik van een combinatie van meettechnieken om gelijktijdig elektrische en optische eigenschappen te onderzoeken.

De onderzoekers voerden hun experiment uit door laserlicht te focussen op de scherpe punt van een naaldsonde bedekt met magnetisch materiaal. Wanneer dunne films van metaaloxide onderhevig zijn aan een unieke spanning, ultrasnelle lichtpulsen kunnen ervoor zorgen dat het materiaal overschakelt naar een onontgonnen fase van domeinen op nanometerschaal, en de verandering is omkeerbaar.

Door de sonde over het oppervlak van hun dunne-filmmonster te scannen, de onderzoekers waren in staat om de verandering lokaal te activeren en tegelijkertijd de elektrische, magnetische en optische eigenschappen van deze door licht getriggerde domeinen met precisie op nanometerschaal.

De studie onthult hoe onverwachte eigenschappen kunnen ontstaan ​​in lang bestudeerde kwantummaterialen op ultrakleine schaal wanneer wetenschappers ze afstemmen op spanning.

"Het is relatief gebruikelijk om deze nanofasematerialen te bestuderen met scanningsondes. Maar dit is de eerste keer dat een optische nano-sonde is gecombineerd met gelijktijdige magnetische nano-imaging, en dat allemaal bij de zeer lage temperaturen waar kwantummaterialen hun verdiensten tonen, "Zei McLeod. "Nu, onderzoek naar kwantummaterialen door multimodale nanowetenschap biedt een middel om de kringloop te sluiten op programma's om ze te ontwikkelen."