Terahertz pulsdriven amplitudmodoscillation av laddningstäthet vågordning i övergångsmetalldikalkogenid med ett bikakegitter, 3R-TaSe2, som orsakar uppkomsten av ett dolt isoleringsliknande tillstånd. Kredit:Yoshikawa et al.
Under de senaste åren har fysiker och elektronikingenjörer har försökt utarbeta strategier för att kontrollera eller producera kvanttillstånd av materia i olika material. Sådana strategier kan i slutändan visa sig vara värdefulla för utvecklingen av nya tekniska anordningar.
Forskare vid University of Tokyo och UMR 7162 CNRS Universitè Paris introducerade nyligen ett nytt tillvägagångssätt för att uppnå ultrasnabb omkoppling av material till ett isolerande-liknande metastabilt tillstånd. Deras strategi, presenteras i en tidning publicerad i Naturfysik , baseras på den direkta exciteringen av amplitudläget för en laddningstäthetsvåg (dvs. amplitudon) via applicering av en intensiv terahertz-puls.
"Vårt primära intresse är att kontrollera kvanttillstånd av materia med ljus på ett ultrasnabbt sätt samtidigt som man undviker uppvärmningseffekten." Ryo Shimano, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "I korrelerade elektronmaterial, flera kvantfaser inklusive supraledning, densitetsvågor och magnetiska ordningar visas bredvid varandra i deras fasdiagram. Vi undersöker ljusets potential som en inställningsratt för dessa kvantfaser."
Under 2013, Shimano och hans kollegor lyckades observera en tidsdomäns oscillation av ordningsparameter i en supraledare, kallas Higgs-läget, som är en supraledande motsvarighet till "Higgs-bosonen" inom partikelfysik, upptäcktes vid CERN 2012. 2014 de upptäckte sedan att Higgs-läget i supraledare kan exciteras direkt av terahertz (THz) ljus, via den olinjära kopplingen mellan Higgs-läget och det elektromagnetiska fältet. Forskarnas senaste studie inspirerades av denna observation av det så kallade Higgs-läget i supraledare.
"Frågan bakom vår studie var:kan vi förvänta oss en fasövergång när vi kör själva orderparametern i tillräckligt stor amplitud?" sa Shimano. "Fasövergången genom en sådan direkt kontroll av ordningsparametern är begreppsmässigt ny och spännande."
Som en del av deras senaste studie, Shimano och hans kollegor undersökte specifikt 3R-TaSe 2 , ett tvådimensionellt (2D) material där laddningsdensitetsvågens (CDW) ordning och supraledning uppträder vid låga temperaturer. I deras experiment, de försökte köra orderparametern för CDW direkt, utan att injicera överskottsenergin i systemet genom att excitera det så kallade amplitudonläget (dvs. en amplitudoscillation av CDW-ordningen som är kopplad till en fonon), som finns i THz-frekvensområdet.
"Vi anammade den ganska nyligen utvecklade tekniken med en intensiv THz-pulsgenerering och tidsupplöst THz-spektroskopi, " sa Shimano. "Först, vi lyckades driva CDW-amplitudläget genom två-foton-excitationsprocessen för den bestrålade THz-pulsen. Nästa, vi övervakade den ultrasnabba dynamiken i det elektroniska tillståndet med en tidsupplösning under pikosekunder genom att använda THz-sondpuls som är känslig för laddningsbärarnas svar."
Oväntat, Shimano och hans kollegor upptäckte att en gapstruktur inducerades i det optiska konduktivitetsspektrumet i THz-frekvensområdet. Denna observation tyder på att materialets initiala metalliska tillstånd delvis omvandlades till ett isolerande-liknande tillstånd ungefär 1 pikosekund efter dess excitation.
"Vanligtvis, bestrålning av ljus på material tenderar att inducera metallicitet eftersom elektroner förvärvar kinetisk energi och blir mer rörliga, ", sade Shimano. "Det aktuella fallet är motsatt till denna vanliga trend:en del av elektronerna fryser vid THz-excitationen. Eftersom amplituden är ett kopplat läge av elektron och fonon, den intensiva THz-pulsen bör modulera gitterkonfigurationen genom att driva amplituden."
Baserat på resultaten som samlats in i deras experiment, Shimano och hans kollegor drog slutsatsen att en stor amplitudsvängning av fononen resulterar i en genomsnittlig förskjutning av materialets gitter, på grund av fononernas olinjäritet. Denna process liknar den likriktande effekt som sker i en elektrisk krets.
Den ultrasnabba moduleringen av 3R-TaSe 2 gitterkonfiguration kan spela en nyckelroll för att möjliggöra det dolda isoleringsliknande tillstånd som detta team av forskare observerade i CDW-systemet de undersökte. I framtiden, de skulle vilja fastställa karaktären av detta isolerande tillstånd, för att få en bättre förståelse för sina observationer. Dessutom, de planerar att utforska samspelet mellan CDW-ordningen och supraledning ytterligare, med liknande experimentella metoder.
"Mer allmänt, vårt arbete öppnar en ny väg för den ljusinducerade fasövergången på ett "kallt" sätt genom att undvika injicering av överskottsenergi i elektronsystemet, ", sa Shimano. "Vi planerar att använda denna nya typ av avstämningsratt för kontroll av kvantfaser, som syftar till att avslöja det outforskade landskapet av kvantmaterial."
© 2021 Science X Network
