Wetenschap
Efficiëntieverbetering:dubbele lichtpulsen minimaliseren de energie voor faseovergangen
Onderzoekers hebben de mechanismen achter een contra-intuïtief fenomeen verklaard:het effectief maken van een faseovergang vereist minder energie als deze wordt geïnitieerd door twee lichtpulsen in plaats van slechts één. De energie die nodig is om de faseovergang te voltooien is met 6% verminderd en kan verder worden geoptimaliseerd. Deze resultaten hebben het potentieel om te worden overgedragen naar andere materialen, waardoor nieuwe mogelijkheden worden geboden voor nauwkeurige materiaalcontrole en technologische innovatie.
Faseovergangen transformeren stoffen fysiek en veranderen op uniforme wijze hun eigenschappen. Een typisch voorbeeld is kokend water dat vloeistof omzet in een gasfase, waardoor een abrupte volumeverandering ontstaat. Er zijn andere faseovergangen die van groot belang zijn voor technologieën, zoals gegevensopslag op compact- of Blu-ray-schijven.
Tijdens een optisch gegevensopslagproces veranderen laserpulsen de structurele fase van het oppervlaktemateriaal. De registratiemarkeringen op schijven worden gecreëerd door het materiaal eerst met de laser te smelten en vervolgens het gesmolten materiaal snel af te koelen tot onder de kristallisatietemperatuur; het proces verandert de reflectiviteit van de gesmolten gebieden. Dit staat bekend als faseveranderingsopname.
De afgelopen jaren heeft het idee om niet één, maar meerdere laserpulsen te gebruiken om faseovergangen te controleren de aandacht getrokken sinds men zich realiseerde dat licht overgangen op coherente wijze zou kunnen aansturen. Coherente faseovergangen zijn interessant omdat ze de stof tussen twee fasen soepel veranderen.
Coherente controle vereist echter zo'n soepele verbinding tussen de kristalstructuren van twee fasen, en sluit veel technologisch relevante overgangen uit, zoals kristallijne naar amorfe overgangen in chalcogenideglazen voor gegevensopslag.
Een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Allan Johnson (IMDEA Nanociencia) heeft een alternatieve, onsamenhangende route voor materiaalcontrole gedemonstreerd die de energie-efficiëntie van de faseovergang in een referentiemateriaal, vanadiumoxide (VO2 ). Ze ontdekten dat de faseovergang tussen de metallische en isolerende fasen, wanneer geactiveerd door twee pulsen, in plaats van een enkele puls, minder energie kan vergen.
Het bestudeerde materiaal – vanadiumoxide – is een prototypisch systeem voor het begrijpen van faseovergangen in kwantummaterialen. Het ligt tussen ladingsdichtheidsgolfsystemen (getransformeerd door een paar langegolflengtemodi, die coherentie tonen) en kristallijne-amorfe faseovergangen (lokale, niet-gecorreleerde vervormingen drijven de overgang aan, wat wanorde aantoont). Bij hoge temperaturen bevindt het vanadiumoxide zich in een metallische fase (rutiel), maar onder de 60°C bevindt het zich in een isolerende fase (monoklien).
Typisch drijft de excitatie van de isolerende fase met een lichtpuls een vanadiumdioxidekristal naar de metallische fase. Allan Johnson en zijn team gebruikten een alternatieve strategie. Ze gebruikten een zwakke puls om een coherent trillende toestand voor te bereiden, om het monster na een kleine vertraging (in het bereik van picoseconden) verder te exciteren met een tweede lichtpuls.
Tot hun verbazing ontdekten ze dat de energiedrempel, waarbij het materiaal begint te transformeren naar de metallische fase, afhangt van de vertraging tussen de twee pulsen en dat de energie die nodig is om de faseovergang te voltooien wordt verminderd in het dubbele-pulsschema. in vergelijking met het enkele-pulsschema.
De opmerkelijke resultaten geven aan dat meerdere excitaties de energie die nodig is om de faseovergang in vanadiumoxide aan te sturen tot 6% kunnen verlagen. Gevraagd naar de verbetering zegt Allan Johnson:"Dit lijkt misschien niet echt een energiebesparing, maar het proces moet nog steeds worden geoptimaliseerd en op dit moment weten we niet hoeveel we kunnen winnen. Bovendien kan deze methode potentieel worden verbeterd." toegepast op veel materialen, en dit is veelbelovend."
Het meest interessante kenmerk van hun ontdekking is dat het proces gemakkelijk kan worden overgedragen naar bestaande apparaten die werken met ultrasnelle gepulseerde laserstralen, simpelweg door de puls in tweeën te delen en de tijd tussen de pulsen te vertragen.
In tegenstelling tot het beperkte scala aan materialen die structurele samenhang vertonen, kan een gecorreleerde wanorde in principe in elke vaste stof worden veroorzaakt. Bijgevolg zou de inhomogene zaaistrategie toepasbaar kunnen zijn op een breed scala aan vaste stoffen, inclusief die welke worden gebruikt in energie- en gegevensopslagtoepassingen.
Het eureka-moment voor Dr. Johnson was het besef dat hun röntgengegevens – non-stop verkregen gedurende drie lange dagen en nachten in een röntgenlaserfaciliteit in Japan – overeenkwamen met de meervoudige pulsexperimenten uit hun eigen laboratorium. Ze legden uit dat het controlemechanisme de vorming van polaronen omvat, quasideeltjes die ontstaan door de koppeling van overtollige elektronen of gaten met ionische trillingen.
Hoewel andere wetenschappers soortgelijke verschijnselen in hun laboratoriumgegevens hebben waargenomen, bleven de mechanismen achter deze waarnemingen tot nu toe ongrijpbaar. Allan Johnson en zijn medewerkers hebben de onderliggende processen opgehelderd, waarbij ze de vorming van polaronen en hun ordening in specifieke richtingen benadrukken als een sleutelfactor bij het verminderen van de energiestraf tot de metallische fase. Het aansturen van de faseovergang door het opwekken van deze ongeordende bewegingstoestand kan met minder energie worden bereikt.
Bovendien betekent de verlaging van de dynamische barrière dat wetenschappers in staat zijn om selectief de energie te verminderen die nodig is voor de lasergestuurde faseovergang zonder de kans op thermische schakeling te vergroten, in tegenstelling tot andere methoden om de efficiëntie te verbeteren.
De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics . De implicaties van dit onderzoek reiken verder dan de fundamentele wetenschap en bieden nieuwe mogelijkheden voor nauwkeurige materiaalcontrole en technologische innovatie. Terwijl het team de methode blijft optimaliseren en nieuwe materialen onderzoekt, blijft het potentieel voor transformatieve vooruitgang in de materiaalwetenschap en optische controle groot.