Forskare vid Columbia University och University of California, San Diego, har introducerat en ny "multi-budbärare"-strategi för kvantfysik som innebär ett tekniskt språng i hur forskare kan utforska kvantmaterial.

Resultaten framgår av en nyligen publicerad artikel i Naturmaterial , leds av A. S. McLeod, postdoktor, Columbia Nano Initiative, med medförfattarna Dmitri Basov och A. J. Millis vid Columbia och R.A. Averitt vid UC San Diego.

"Vi har fört en teknik från den intergalaktiska skalan ner till de ultrasmå, sa Basov, Higgins professor i fysik och chef för Energy Frontier Research Center i Columbia. Utrustade med multimodala nanovetenskapliga verktyg kan vi nu rutinmässigt besöka platser som ingen trodde skulle vara möjliga så sent som för fem år sedan."

Verket var inspirerat av "multi-budbärare" astrofysik, som dök upp under det senaste decenniet som en revolutionerande teknik för att studera avlägsna fenomen som sammanslagningar av svarta hål. Samtidiga mätningar från instrument, inklusive infrarött, optisk, Röntgen- och gravitationsvågteleskop kan, tagen tillsammans, leverera en fysisk bild som är större än summan av deras enskilda delar.

Sökningen pågår efter nya material som kan komplettera det nuvarande beroende av elektroniska halvledare. Kontroll över materialegenskaper med hjälp av ljus kan erbjuda förbättrad funktionalitet, fart, flexibilitet och energieffektivitet för nästa generations datorplattformar.

Experimentella artiklar om kvantmaterial har vanligtvis rapporterat resultat som erhållits genom att endast använda en typ av spektroskopi. Forskarna har visat kraften i att använda en kombination av mättekniker för att samtidigt undersöka elektriska och optiska egenskaper.

Forskarna utförde sitt experiment genom att fokusera laserljus på den vassa spetsen av en nålsond belagd med magnetiskt material. När tunna filmer av metalloxid utsätts för en unik belastning, ultrasnabba ljuspulser kan trigga materialet att byta till en outforskad fas av nanometerskaliga domäner, och förändringen är reversibel.

Genom att skanna sonden över ytan av deras tunna filmprov, forskarna kunde utlösa förändringen lokalt och samtidigt manipulera och registrera den elektriska, magnetiska och optiska egenskaper hos dessa ljusutlösta domäner med precision i nanometerskala.

Studien avslöjar hur oväntade egenskaper kan växa fram i långstuderade kvantmaterial i extremt små skalor när forskare ställer in dem efter stam.

"Det är relativt vanligt att studera dessa nanofasmaterial med skanningssonder. Men det här är första gången en optisk nanosond har kombinerats med samtidig magnetisk nano-avbildning, och allt vid de mycket låga temperaturerna där kvantmaterial visar sina fördelar, " sa McLeod. "Nu, undersökning av kvantmaterial med multimodal nanovetenskap erbjuder ett sätt att sluta slingan på program för att konstruera dem."