Forskare har förklarat mekanismerna bakom ett kontraintuitivt fenomen:Att göra en fasövergång effektiv kräver mindre energi om den initieras av två ljuspulser istället för bara en. Energin som behövs för att slutföra fasövergången har minskat med 6 % och kan optimeras ytterligare. Dessa resultat har potential att överföras till andra material, vilket erbjuder nya vägar för exakt materialkontroll och teknisk innovation.
Fasövergångar omvandlar ämnen fysiskt och ändrar likformigt deras egenskaper. Ett typiskt exempel är kokande vatten som omvandlar vätska till en gasfas, vilket resulterar i en abrupt volymförändring. Det finns andra fasövergångar med hög relevans för teknologier, till exempel datalagring i kompakt- eller Blu-ray-diskar.
Under en optisk datalagringsprocess ändrar laserpulser ytmaterialets strukturella fas. Registreringsmärkena i skivor skapas genom att först smälta materialet med lasern och sedan snabbt kyla det smälta materialet under dess kristallisationstemperatur; processen ändrar reflektiviteten hos de smälta områdena. Detta är känt som fasförändringsinspelning.
Under de senaste åren har idén att använda inte en utan flera laserpulser för att kontrollera fasövergångar fångat uppmärksamhet ända sedan man insåg att ljus kunde driva övergångar sammanhängande. Koherenta fasövergångar är intressanta eftersom de smidigt ändrar materialet mellan två faser.
Koherent kontroll kräver dock en så smidig koppling mellan kristallstrukturerna i två faser, och utesluter många tekniskt relevanta övergångar som kristallina-till-amorfa övergångar i kalkogenidglas för datalagring.
Ett team av forskare ledda av Dr Allan Johnson (IMDEA Nanociencia) har visat en alternativ, osammanhängande väg för materialkontroll som förbättrar energieffektiviteten för fasövergången i ett referensmaterial, vanadinoxid (VO2 ). De fann att fasövergången mellan metallfasen och den isolerande fasen när den utlöses av två pulser, istället för en enda puls, kan kräva mindre energi.
Det studerade materialet - vanadinoxid - är ett prototypiskt system för att förstå fasövergångar i kvantmaterial. Det ligger mellan vågsystem med laddningstäthet (transformerade av några långa våglängdslägen, som visar koherens) och kristallina-amorfa fasövergångar (lokala okorrelerade distorsioner driver övergången, visar oordning). Vid höga temperaturer är vanadinoxiden i en metallisk fas (rutil), men under 60° är i en isolerande fas (monoklin).
Typiskt driver exciteringen av den isolerande fasen med en ljuspuls en vanadindioxidkristall till den metalliska fasen. Allan Johnson och hans team använde en alternativ strategi. De använde en svag puls för att förbereda ett koherent vibrerande tillstånd, för att ytterligare excitera provet med en andra ljuspuls efter en liten fördröjning (inom intervallet pikosekunder).
Till sin förvåning fann de att energitröskeln, vid vilken materialet börjar omvandlas till metallfasen, beror på fördröjningen mellan de två pulserna och att energin som behövs för att slutföra fasövergången reduceras i dubbelpulsschemat, i jämförelse med enkelpulsschemat.
De anmärkningsvärda resultaten indikerar att multipla excitationer kan sänka energin som behövs för att driva fasövergången i vanadinoxid upp till 6 %. På frågan om förbättringen säger Allan Johnson:"Detta kanske inte verkar vara en energibesparing, men processen är fortfarande optimerad och för närvarande vet vi inte hur mycket vi kan vinna. Dessutom kan denna metod potentiellt vara tillämpas på många material, och detta är mycket lovande."
Det mest intressanta med deras upptäckt är att processen lätt kan överföras till befintliga enheter som arbetar med ultrasnabba pulsade laserstrålar, helt enkelt genom att dela pulsen i två och fördröja tiden mellan pulserna.
I motsats till det begränsade utbudet av material som visar strukturell koherens, kan korrelerad störning i princip induceras i vilket fast ämne som helst. Följaktligen kan den inhomogena såddstrategin vara tillämpbar på ett brett spektrum av fasta ämnen, inklusive de som används i energi- och datalagringsapplikationer.
Eureka-ögonblicket för Dr. Johnson insåg att deras röntgendata – insamlad non-stop under tre långa dagar och nätter på röntgenlaseranläggningen i Japan – matchade de multipla pulsexperimenten från deras eget labb. De förklarade att kontrollmekanismen involverar bildandet av polaroner, kvasipartiklar som bildas på grund av kopplingen av överflödiga elektroner eller hål med joniska vibrationer.
Noterbart, medan andra forskare har observerat liknande fenomen i sina laboratoriedata, förblev mekanismerna bakom dessa observationer svårfångade tills nu. Allan Johnson och hans medarbetare har belyst de underliggande processerna och lyft fram bildandet av polaroner och deras ordning i specifika riktningar som en nyckelfaktor för att minska energistraffet till den metalliska fasen. Att driva fasövergången genom att excitera detta oordnade rörelsetillstånd kan uppnås med mindre energi.
Dessutom innebär den dynamiska barriärsänkningen att forskare kan selektivt minska energin som krävs för den laserdrivna fasövergången utan att öka sannolikheten för termisk omkoppling, i motsats till andra metoder för att förbättra effektiviteten.
Resultaten har publicerats i Nature Physics . Implikationerna av denna forskning sträcker sig bortom grundläggande vetenskap, och erbjuder nya vägar för exakt materialkontroll och teknisk innovation. Eftersom teamet fortsätter att optimera metoden och utforska nya material, är potentialen för transformativa framsteg inom materialvetenskap och optisk kontroll fortfarande hög.
Mer information: Allan S. Johnson et al, All-optical seeding of a light-induced phase transition with correlated disorder, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02474-4
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av IMDEA Nanociencia
