Materiaalwetenschappers kunnen binnenkort materiaaleigenschappen met licht controleren.

Een team bestaande uit onderzoekers van de Universiteit van Kyoto en het Kurume Institute of Technology hebben een schaalwet ontdekt die harmonische generatie van hoge orde bepaalt in het perovskietmateriaal met vaste lagen, Ca₂ RuO₄ .

Hoge-orde harmonische generatie is een niet-lineair optisch fenomeen waarbij extreem ultraviolette fotonen worden uitgezonden door een materiaal als gevolg van interacties met licht van hoge intensiteit.

"Het fenomeen, dat voor het eerst werd waargenomen in atomaire gassystemen, heeft sindsdien de weg vrijgemaakt voor de tweede wetenschap", zegt studieauteur Kento Uchida. "Maar het is iets onvoorspelbaarder in sommige sterk gecorreleerde vaste stoffen, zoals Ca₂ RuO_4. "

Vanwege de sterke interactie tussen elektronen in deze vaste stoffen, kunnen de kenmerken van het genereren van hoge-orde harmonische alleen worden vastgesteld door te begrijpen hoe deze elektronen bewegen in aanwezigheid van licht.

Om deze vraag aan te pakken, die nooit experimenteel is bevestigd, ging het team op zoek naar de relatie tussen temperatuur en fotonemissie in Ca₂ RuO₄ . Ze gebruikten een midden-infrarode puls om de hoge intensiteit van het genereren van harmonische te meten en in kaart te brengen bij temperaturen van een extreem lage 50 tot een matige 290 Kelvin.

Aan de lage kant registreerde het team het genereren van hoge-orde harmonische honderden keren intenser dan bij kamertemperatuur. Fotonenemissies bleven toenemen met toenemende gap-energie - de energie die elektronen nodig hebben om elektriciteit te geleiden - samen met de daling van de temperatuur.

Het team ontdekte dat dergelijke emissies plaatsvonden in de Mott-isolatiefase van het materiaal, waar de sterke afstoting tussen elektronen en hoge spleetenergie het metaal transformeert van een elektrische geleider naar een isolator.

"We ontdekten dat harmonischen van hoge orde in sterk gecorreleerde materialen sterk afhankelijk zijn van de kloofenergie van de materialen", legt Uchida uit.

Deze schaalwet kan theoretische studies leiden naar meer verfijnde beschrijvingen van niet-evenwichtselektronendynamica in sterk gecorreleerde materialen:een centraal punt in de fysica van de gecondenseerde materie.

Uchida concludeert dat hun "bevindingen ook een basis vormen voor materiaalontwerp om efficiëntere niet-lineaire optische apparaten te bereiken."

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters . + Verder verkennen

Nieuwe mogelijkheden voor kwantumdetectie met niet-lineaire optica van diamanten