In recente jaren, natuurkundigen en elektronica-ingenieurs hebben geprobeerd strategieën te bedenken om kwantumtoestanden van materie in verschillende materialen te beheersen of te produceren. Dergelijke strategieën kunnen uiteindelijk waardevol zijn voor de ontwikkeling van nieuwe technologische apparaten.

Onderzoekers van de Universiteit van Tokio en UMR 7162 CNRS Universitè Paris hebben onlangs een nieuwe aanpak geïntroduceerd om de ultrasnelle omschakeling van materialen naar een isolerende metastabiele toestand te bereiken. Hun strategie, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Natuurfysica , is gebaseerd op de directe excitatie van de amplitudemodus van een ladingsdichtheidsgolf (d.w.z. amplitudon) via de toepassing van een intense terahertz-puls.

"Ons primaire belang is om de kwantumtoestanden van materie door licht op een ultrasnelle manier te beheersen en tegelijkertijd het verwarmingseffect te vermijden." Ryo Shimano, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In gecorreleerde elektronenmaterialen, meerdere kwantumfasen waaronder supergeleiding, dichtheidsgolven en magnetische orden verschijnen naast elkaar in hun fasediagram. We onderzoeken het potentieel van licht als afstemknop voor deze kwantumfasen."

In 2013, Shimano en zijn collega's zijn erin geslaagd een tijdsdomein-oscillatie van de ordeparameter in een supergeleider waar te nemen, ook wel de Higgs-modus genoemd, wat een supergeleidende tegenhanger is van het 'Higgs-deeltje' in de deeltjesfysica, ontdekt bij CERN in 2012. In 2014, ze ontdekten toen dat de Higgs-modus in supergeleiders direct kan worden geëxciteerd door terahertz (THz) licht, via de niet-lineaire koppeling tussen de Higgs-modus en het elektromagnetische veld. De recente studie van de onderzoekers is geïnspireerd op deze observatie van de zogenaamde Higgs-modus in supergeleiders.

"De vraag achter onze studie was:kunnen we een faseovergang verwachten wanneer we de orderparameter zelf in voldoende grote amplitude aansturen?" zei Shimano. "De faseovergang door zo'n directe controle van de orderparameter is conceptueel nieuw en intrigerend."

Als onderdeel van hun recente onderzoek, Shimano en zijn collega's hebben specifiek 3R-TaSe . onderzocht ₂ , een tweedimensionaal (2D) materiaal waarin de ladingsdichtheidsgolf (CDW) orde en supergeleiding verschijnen bij lage temperaturen. In hun experimenten, ze probeerden de orderparameter van de CDW rechtstreeks aan te sturen, zonder de overtollige energie in het systeem te injecteren door de zogenaamde amplitudon-modus (d.w.z. een amplitude-oscillatie van de CDW-orde die is gekoppeld aan een fonon), die bestaat in het THz-frequentiebereik.

"We hebben de vrij recent ontwikkelde techniek van een intense THz-pulsgeneratie en tijdopgeloste THz-spectroscopie overgenomen, "zei Shimano. "Eerst, we zijn erin geslaagd de CDW-amplitudemodus aan te sturen door het twee-foton-excitatieproces van de bestraalde THz-puls. Volgende, we hebben de ultrasnelle dynamiek van de elektronische toestand gevolgd met een tijdresolutie van minder dan picoseconden door gebruik te maken van THz-sondepuls die gevoelig is voor de reactie van de ladingsdragers."

Onverwacht, Shimano en zijn collega's ontdekten dat er een spleetstructuur werd geïnduceerd in het optische geleidingsspectrum in het THz-frequentiebereik. Deze waarneming suggereert dat de aanvankelijke metaalachtige toestand van het materiaal ongeveer 1 picoseconde na de excitatie gedeeltelijk werd omgezet in een isolerende toestand.

"Gebruikelijk, het uitstralen van licht op materialen heeft de neiging om metalliciteit te induceren, aangezien elektronen kinetische energie verwerven en mobieler worden, Shimano zei. "Het huidige geval is tegengesteld aan deze algemene trend:een deel van de elektronen bevriest bij de THz-excitatie. Aangezien de amplitudon een gekoppelde modus is van elektron en fonon, de intense THz-puls zou de roosterconfiguratie moeten moduleren door het aansturen van amplitudon."

Op basis van de bevindingen verzameld in hun experimenten, Shimano en zijn collega's concludeerden dat een oscillatie met grote amplitude van de fonon resulteert in een gemiddelde verplaatsing van het rooster van het materiaal, vanwege de niet-lineariteit van fononen. Dit proces lijkt op het rectificatie-effect dat plaatsvindt in een elektrisch circuit.

De ultrasnelle modulatie van de 3R-TaSe ₂ roosterconfiguratie zou een sleutelrol kunnen spelen bij het mogelijk maken van de verborgen, isolerende toestand die dit team van onderzoekers heeft waargenomen in het CDW-systeem dat ze hebben onderzocht. In de toekomst, ze willen de aard van deze isolerende staat vastpinnen, om hun waarnemingen beter te begrijpen. In aanvulling, ze zijn van plan om het samenspel tussen de CDW-orde en supergeleiding verder te onderzoeken, met behulp van vergelijkbare experimentele methoden.

"Algemener, ons werk opent een nieuwe weg voor de door licht geïnduceerde faseovergang op een 'koude' manier door de injectie van overtollige energie in het elektronensysteem te vermijden, Shimano zei. "We zijn van plan om dit nieuwe type afstemknop te gebruiken voor de controle van kwantumfasen, gericht op het onthullen van het onontgonnen landschap van kwantummaterialen."

© 2021 Science X Network