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研究使用太赫兹激光脉冲来揭示原子级模式的超快速耦合

一个超短的激光照射镧锶氧化镍晶体,引发了原子级条纹的熔化。电荷(黄色)迅速变为移动,而晶体失真只有延迟反应,暴露了潜在的相互作用。信用:罗伯特Kaindl /伯克利实验室

 

       条纹可以在任何地方找到,从在野外漫游的斑马到最新的时尚声明。在微观物理学的世界中,周期性的条纹图案可以由所谓的量子材料中的电子形成。

 

       美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家们现在已经解开了这种原子尺度条纹如何融化和形成的有趣动力,为开发新型能源材料提供了基本的见解。

 

       在强相关的量子材料中,电子之间的相互作用是至高无上的。这些电子彼此之间的复杂耦合 - 以及电子自旋和晶体振动 - 导致电荷有序或高温超导等异乎寻常的阶段。

 

       伯克利实验室材料科学部的首席研究员兼科学家Robert Kaindl说:“凝聚态物理学的一个关键目标是了解造成复杂相位的因素以及它们之间的转换。“但在微观世界里,相互作用往往是非常快的,如果我们只是慢慢加热或冷却一个材料来改变它的阶段,我们可能会错过这个潜在的行动。

 

       Kaindl和他的同事们一直使用超快激光脉冲来分离相关量子材料的微观动力学,以获取电子之间的相互作用以及时域中晶体的原子晶格。

 

       对于这项研究,研究人员与量子材料和模型条纹化合物镍酸镧合作。研究人员特别研究了形成条纹图案的电子电荷以及它们如何耦合到晶格上。

 

       研究人员说,电荷如何与水晶相互作用是条纹物理的关键因素。

 

       当时他在伯克利实验室做博士后研究的时候做了这项工作的贾科莫·科斯洛维奇(Giacomo Coslovich)说:“晶格严重扭曲了电荷条纹。“这种晶体对称性的改变导致了新的晶格振动,我们可以用太赫兹频率的光来检测这种新的晶格振动。”

 

       Kaindl和Coslovich是在Science Advances 上报告这些结果的论文的相应作者。

 

       在他们的实验中,材料被持续50飞秒的近红外激光脉冲光学激发,并用具有可变时间延迟的太赫兹脉冲进行探测。飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。

 

       研究人员在使用激光破坏微观秩序时发现了意想不到的动态。

 

       现在是SLAC国家加速器实验室的副教职员科学家Coslovich说:“有趣的是,当激光器立即激发电子时,晶体中的振动失真最初保持冻结。“条纹相位振动仅在几百到几千飞秒之后消失,我们还得出结论,速度取决于相互作用的方向。

 

       北卡罗来纳州立大学的Alexander Kemper对声子色散的模拟支持了实验的解释。

 

       结果提供了重要的洞察力,即将电子耦合到镧酸镧晶格振动中的相互作用或“粘合”。然而,它们更广泛的相关性源于最近对高温超导体中电荷顺序的观察 - 在液氮的沸点以上的温度下电流可以无阻抗地流动的材料。虽然机制仍然令人费解,但最近的研究表明,通过用短光脉冲抑制条纹来诱导超导性的能力。

 

       Kaindl说:“波动的条纹被认为是发生在非常规的超导体中,我们的研究对这种模式的变化速度进行了限制。“它突出了考虑粘合剂的空间和时间结构的重要性。”

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