Een internationaal team van onderzoekers heeft nieuwe ideeën gepresenteerd voor ultrasnelle multidimensionale spectroscopie van sterk gecorreleerde vaste stoffen. Hun werk is gepubliceerd in Nature Photonics.

Bij het team waren onderzoekers van het Europese XFEL betrokken met collega's van het Max Born Instituut in Berlijn, de universiteiten van Berlijn en Hamburg, de Universiteit van Tokio, het Japanse Nationale Instituut voor Geavanceerde Industriële Wetenschappen en Technologie (AIST), de Nederlandse Radboud Universiteit, het Imperial College Londen en Hamburg Centrum voor Ultrasnelle Beeldvorming.

"Sterk gecorreleerde vaste stoffen zijn complexe en fascinerende kwantumsystemen waarin vaak nieuwe elektronische toestanden ontstaan, vooral wanneer ze interageren met licht", zegt Alexander Lichtenstein van de Universiteit van Hamburg en Eu-XFEL.

Sterk gecorreleerde materialen, waaronder onder meer hoge-temperatuur-supergeleiders, bepaalde soorten magnetische materialen en gedraaide kwantummaterialen, stellen ons fundamentele begrip van de microkosmos op de proef en bieden kansen voor veel opwindende toepassingen, variërend van materiaalkunde tot informatieverwerking en geneeskunde:supergeleiders worden bijvoorbeeld gebruikt door MRI-scanners.

Dit is de reden waarom het begrijpen van de hiërarchie en het samenspel van de diverse elektronische toestanden die ontstaan ​​in sterk gecorreleerde materialen erg belangrijk is. Tegelijkertijd daagt het onze experimentele en theoretische instrumenten uit, omdat transformaties tussen deze toestanden vaak geassocieerd worden met faseovergangen.

Faseovergangen zijn transformaties die zich niet soepel van de ene fase naar de volgende ontwikkelen, maar plotseling en snel kunnen optreden, vooral wanneer het materiaal in wisselwerking staat met licht.

Wat zijn de routes van lading en energiestroom tijdens een dergelijke transitie? Hoe snel gebeurt het? Kan licht worden gebruikt om dit te controleren en om de elektronencorrelaties vorm te geven? Kan het licht het materiaal in een toestand brengen waarin het materiaal zich onder normale omstandigheden niet zou bevinden?

Dit zijn het soort vragen dat kan worden beantwoord met krachtige en gevoelige apparaten zoals röntgenlasers zoals de Europese XFEL in Schenefeld bij Hamburg, en met de moderne optische instrumenten van de attosecondewetenschap (1 attoseconde =10 ^-18 seconde. In één attoseconde reist licht minder dan een miljoenste millimeter).

In hun werk presenteert het internationale team nu een geheel nieuwe aanpak die het mogelijk maakt om de ultrasnelle ladingsbeweging te monitoren en te ontcijferen die wordt veroorzaakt door een korte laserpuls die een sterk gecorreleerd systeem verlicht. Ze hebben een variant van ultrasnelle multidimensionale spectroscopie ontwikkeld, waarbij ze profiteren van de attoseconde-controle van hoe meerdere kleuren licht samen een ultrakorte laserpuls vormen.

De subcyclus-temporele resolutie die deze spectroscopie biedt, toont de complexe wisselwerking tussen de verschillende elektronische configuraties en toont aan dat een faseovergang van een metallische toestand naar een isolerende toestand binnen minder dan een femtoseconde kan plaatsvinden – d.w.z. in minder dan een biljardste van een seconde.

"Onze resultaten openen een manier om ultrasnelle processen in sterk gecorreleerde materialen te onderzoeken en specifiek te beïnvloeden die verder gaat dan eerdere methoden", zegt Olga Smirnova van het Max Born-instituut en de Berlijnse TU, winnaar van de Mildred Dresselhaus-prijs van het Hamburg Center for Ultrafast Imaging . "We hebben dus een belangrijk hulpmiddel ontwikkeld voor toegang tot nieuwe ultrasnelle verschijnselen in gecorreleerde vaste stoffen."

Meer informatie: Multidimensionale subcyclusspectroscopie van sterk gecorreleerde materialen, Natuurfotonica (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01371-1

Journaalinformatie: Natuurfotonica

Aangeboden door het Max Born Instituut voor niet-lineaire optica en korte-pulsspectroscopie (MBI)