De ontwikkeling van high-speed stroboscoop-flitsfotografie in de jaren zestig door wijlen MIT-professor Harold "Doc" Edgerton stelde ons in staat om gebeurtenissen te visualiseren die te snel voor het oog waren - een kogel die een appel doorboort, of een druppel die een plas melk raakt.

Met behulp van een reeks geavanceerde spectroscopische hulpmiddelen hebben wetenschappers van het MIT en de Universiteit van Texas in Austin voor het eerst snapshots gemaakt van een door licht geïnduceerde metastabiele fase die verborgen is voor het evenwichtsuniversum. Door single-shot spectroscopietechnieken te gebruiken op een 2D-kristal met nanoschaalmodulaties van elektronendichtheid, konden ze deze overgang in realtime bekijken.

"Met dit werk laten we de geboorte en evolutie zien van een verborgen kwantumfase die wordt geïnduceerd door een ultrakorte laserpuls in een elektronisch gemoduleerd kristal", zegt Frank Gao Ph.D. '22, co-hoofdauteur van een paper over het werk die momenteel een postdoc is aan de UT Austin.

"Meestal is het schijnen van lasers op materialen hetzelfde als ze verwarmen, maar in dit geval niet", voegt Zhuquan Zhang, co-hoofdauteur en huidige MIT-afgestudeerde student in de chemie toe. "Hier herschikt de bestraling van het kristal de elektronische orde, waardoor een geheel nieuwe fase ontstaat die verschilt van de fase bij hoge temperatuur."

Een paper over dit onderzoek is vandaag gepubliceerd in Science Advances . Het project werd gezamenlijk gecoördineerd door Keith A. Nelson, de Haslam and Dewey Professor of Chemistry aan het MIT, en door Edoardo Baldini, een assistent-professor natuurkunde aan de UT-Austin.

Lasershows

"Het begrijpen van de oorsprong van dergelijke metastabiele kwantumfasen is belangrijk om al lang bestaande fundamentele vragen in thermodynamica zonder evenwicht te beantwoorden", zegt Nelson.

"De sleutel tot dit resultaat was de ontwikkeling van een ultramoderne lasermethode die 'films' kan maken van onomkeerbare processen in kwantummaterialen met een tijdresolutie van 100 femtoseconden." voegt Baldini toe.

Het materiaal, tantaaldisulfide, bestaat uit covalent gebonden lagen van tantaal- en zwavelatomen die los op elkaar zijn gestapeld. Beneden een kritische temperatuur, vormen de atomen en elektronen van het materiaalpatroon in nanoschaal "Davidster"-structuren - een onconventionele verdeling van elektronen die bekend staat als een "ladingsdichtheidsgolf".

De vorming van deze nieuwe fase maakt het materiaal een isolator, maar het schijnen van één enkele, intense lichtpuls duwt het materiaal in een metastabiel verborgen metaal. "Het is een tijdelijke kwantumtoestand die in de tijd is bevroren", zegt Baldini. "Mensen hebben deze door licht geïnduceerde verborgen fase eerder waargenomen, maar de ultrasnelle kwantumprocessen achter het ontstaan ​​ervan waren nog onbekend."

Nelson voegt eraan toe:"Een van de belangrijkste uitdagingen is dat het observeren van een ultrasnelle transformatie van één elektronische bestelling naar een die voor onbepaalde tijd kan voortduren, niet praktisch is met conventionele tijdsopgeloste technieken."

Pulsen van inzicht

De onderzoekers ontwikkelden een unieke methode waarbij een laserpuls van een enkele sonde werd gesplitst in enkele honderden verschillende sondepulsen die allemaal op verschillende tijdstippen bij het monster aankwamen, voordat en nadat het omschakelen werd geïnitieerd door een afzonderlijke, ultrasnelle excitatiepuls. Door veranderingen in elk van deze sondepulsen te meten nadat ze zijn weerkaatst door of door het monster zijn verzonden en de meetresultaten vervolgens als afzonderlijke frames aan elkaar te rijgen, kunnen ze een film construeren die microscopisch inzicht geeft in de mechanismen waardoor transformaties plaatsvinden.

Door de dynamiek van deze complexe fasetransformatie vast te leggen in een enkelvoudige meting, toonden de auteurs aan dat het smelten en de herschikking van de ladingsdichtheidsgolf leidt tot de vorming van de verborgen toestand. Theoretische berekeningen door Zhiyuan Sun, een postdoc van het Harvard Quantum Institute, bevestigden deze interpretatie.

Hoewel deze studie werd uitgevoerd met één specifiek materiaal, zeggen de onderzoekers dat dezelfde methodologie nu kan worden gebruikt om andere exotische verschijnselen in kwantummaterialen te bestuderen. Deze ontdekking kan ook helpen bij de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten met on-demand fotoreacties. + Verder verkennen

Natuurkundigen gebruiken extreem infrarood laserpulsen om bevroren elektronengolven in magnetiet te onthullen

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.