Utvecklingen av höghastighetsblixtfotografering på 1960-talet av den avlidne MIT-professorn Harold "Doc" Edgerton gjorde det möjligt för oss att visualisera händelser för snabbt för ögat - en kula som tränger igenom ett äpple eller en droppe som träffar en mjölkpöl.

Nu, genom att använda en svit av avancerade spektroskopiska verktyg, har forskare vid MIT och University of Texas i Austin för första gången tagit ögonblicksbilder av en ljusinducerad metastabil fas gömd från jämviktsuniversum. Genom att använda single-shot spektroskopitekniker på en 2D-kristall med nanoskala moduleringar av elektrondensitet, kunde de se denna övergång i realtid.

"Med detta arbete visar vi födelsen och utvecklingen av en dold kvantfas inducerad av en ultrakort laserpuls i en elektroniskt modulerad kristall", säger Frank Gao Ph.D. '22, medförfattare på en artikel om arbetet som för närvarande är postdoc vid UT Austin.

"Vanligtvis är lysande lasrar på material detsamma som att värma upp dem, men inte i det här fallet", tillägger Zhuquan Zhang, medförfattare och nuvarande MIT doktorand i kemi. "Här omarrangerar bestrålningen av kristallen den elektroniska ordningen, vilket skapar en helt ny fas som skiljer sig från den högtemperatur."

En artikel om denna forskning publicerades idag i Science Advances . Projektet koordinerades gemensamt av Keith A. Nelson, Haslam och Dewey professor i kemi vid MIT, och av Edoardo Baldini, biträdande professor i fysik vid UT-Austin.

Laserprogram

"Att förstå ursprunget till sådana metastabila kvantfaser är viktigt för att ta itu med långvariga grundläggande frågor inom termodynamiken utan jämvikt", säger Nelson.

"Nyckeln till detta resultat var utvecklingen av en toppmodern lasermetod som kan 'göra filmer' av irreversibla processer i kvantmaterial med en tidsupplösning på 100 femtosekunder." tillägger Baldini.

Materialet, tantaldisulfid, består av kovalent bundna lager av tantal- och svavelatomer staplade löst ovanpå varandra. Under en kritisk temperatur mönstrar materialets atomer och elektroner i nanoskala "Davidsstjärna"-strukturer - en okonventionell fördelning av elektroner som kallas en "laddningstäthetsvåg."

Bildandet av denna nya fas gör materialet till en isolator, men en enda, intensiv ljuspuls skjuter materialet till en metastabil dold metall. "Det är ett övergående kvanttillstånd fruset i tiden", säger Baldini. "Människor har observerat denna ljusinducerade dolda fas tidigare, men de ultrasnabba kvantprocesserna bakom dess tillkomst var fortfarande okända."

Nelson tillägger, "En av de viktigaste utmaningarna är att det inte är praktiskt att observera en ultrasnabb transformation från en elektronisk order till en som kan bestå i det oändliga med konventionella tidsupplösta tekniker."

Insiktspulser

Forskarna utvecklade en unik metod som gick ut på att dela en enda sondlaserpuls i flera hundra distinkta sondpulser som alla anlände till provet vid olika tidpunkter innan och efter omkopplingen initierades av en separat, ultrasnabb excitationspuls. Genom att mäta förändringar i var och en av dessa sondpulser efter att de reflekterats från eller sänts genom provet och sedan sammanfoga mätresultaten som individuella bildrutor, kunde de konstruera en film som ger mikroskopiska insikter i de mekanismer genom vilka transformationer sker.

Genom att fånga dynamiken i denna komplexa fastransformation i en engångsmätning, visade författarna att smältningen och omordningen av laddningstäthetsvågen leder till bildandet av det dolda tillståndet. Teoretiska beräkningar av Zhiyuan Sun, en postdoc vid Harvard Quantum Institute, bekräftade denna tolkning.

Medan den här studien utfördes med ett specifikt material, säger forskarna att samma metod nu kan användas för att studera andra exotiska fenomen i kvantmaterial. Denna upptäckt kan också hjälpa till med utvecklingen av optoelektroniska enheter med fotosvar på begäran. + Utforska vidare

Fysiker använder extrema infraröda laserpulser för att avslöja frusna elektronvågor i magnetit

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.