Группа ученых из Массачусетского технологического института и Техасского университета в Остине использовала однократную спектроскопию на двумерном кристалле с наноразмерными модуляциями электронной плотности для съемки в реальном времени сверхбыстрых квантовых процессов. Технология позволяет «снимать фильмы» о необратимых процессах в квантовых материалах с временным разрешением 100 фемтосекунд (10 — 13 с).
Метод, разработанный учеными, включает разделение одного сканирующего лазерного импульса на несколько сотен отдельных. Каждый из них достигает исследуемого образца в разное время. Измеряя отраженные и пропущенные волны, а затем объединяя результаты наблюдений как отдельные кадры, физики создали фильм, который дает микроскопическое представление о механизмах, посредством которых происходят преобразования.
Образец фотовозбуждается лазерным импульсом накачки с энергией 1,55 эВ (вертикальный луч). При однократном отражении зондирующий пучок с энергией 1,55 эВ (падающий сверху слева) проходит через набор двойных 20-ступенчатых эшелонов и разделяется на сетку 20 на 20 из 400 импульсов с различными временными задержками. Эти зондирующие импульсы фокусируются на образце вместе с импульсом накачки. Отраженные зондирующие импульсы обнаруживаются в разных областях камеры. Изображение: Gao et al., Science Advances
В своей работе ученые использовали дисульфид тантала. Он состоит из ковалентно связанных слоев атомов тантала и серы, свободно уложенных друг на друга. Ниже критической температуры атомы и электроны этого материала образуют наноразмерные структуры — волну зарядовой плотности. Формирование этой новой фазы делает материал изолятором, но один единственный интенсивный световой импульс превращает его в метастабильный скрытый металл.
Обычно светить лазером на материалы — это то же самое, что нагревать их, но не в этом случае. Здесь облучение кристалла перестраивает электронный порядок, создавая совершенно новую фазу, отличную от высокотемпературной.
Чжуцюань Чжан, исследователь из Массачусетского технологического института, соавтор работы
С помощью новой технологии ученым удалось наблюдать динамику этого сложного фазового превращения. Они увидели, что плавление и переупорядочение волны зарядовой плотности приводит к образованию скрытого квантового состояния.
Физики полагают, что понимание происхождения таких метастабильных квантовых фаз поможет решить фундаментальные вопросы неравновесной термодинамики. Кроме того, хотя исследование было проведено с одним конкретным материалом, ученые говорят, что ту же методологию можно использовать для изучения других экзотических явлений в квантовых материалах.
Изображение на обложке: Frank Yi Gao, MIT
