Vissa material har önskvärda egenskaper som är dolda, och precis som du skulle använda en ficklampa för att se i mörkret, kan forskare använda ljus för att avslöja dessa egenskaper.
Forskare vid University of California San Diego har använt en avancerad optisk teknik för att lära sig mer om ett kvantmaterial som heter Ta2 NiSe5 (TNS). Deras arbete visas i Naturmaterial .
Material kan störas genom olika yttre stimuli, ofta med förändringar i temperatur eller tryck; Men eftersom ljus är det snabbaste i universum, kommer material att reagera mycket snabbt på optiska stimuli och avslöja egenskaper som annars skulle förbli dolda.
"I huvudsak lyser vi med en laser på ett material och det är som stop-action fotografering där vi stegvis kan följa en viss egenskap hos det materialet", säger professorn i fysik Richard Averitt, som ledde forskningen och är en av tidningens författare. "Genom att titta på hur beståndsdelar rör sig i det systemet, kan vi reta ut dessa egenskaper som är väldigt svåra att hitta på annat sätt."
Experimentet utfördes av huvudförfattaren Sheikh Rubaiat Ul Haque, som tog examen från UC San Diego 2023 och nu är postdoktor vid Stanford University. Han, tillsammans med Yuan Zhang, en annan doktorand i Averitts labb, förbättrade en teknik som kallas terahertz tidsdomänspektroskopi. Den här tekniken gör det möjligt för forskare att mäta ett material egenskaper över en rad frekvenser, och Haques förbättringar gav dem tillgång till ett bredare spektrum av frekvenser.
Arbetet baserades på en teori skapad av en annan av tidningens författare, Eugene Demler, professor vid ETH Zürich. Demler och hans doktorand Marios Michael utvecklade idén att när vissa kvantmaterial exciteras av ljus, kan de förvandlas till ett medium som förstärker terahertz-frekvensljus. Detta ledde till att Haque och kollegor tittade närmare på de optiska egenskaperna hos TNS.
När en elektron exciteras till en högre nivå av en foton, lämnar den efter sig ett hål. Om elektronen och hålet är bundna skapas en exciton. Excitoner kan också bilda ett kondensat – ett tillstånd som uppstår när partiklar samlas och beter sig som en enda enhet.
Med hjälp av Haques teknik, uppbackad av Demlers teori och med hjälp av funktionella densitetsberäkningar av Angel Rubios grupp vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, kunde teamet observera onormal terahertz-ljusförstärkning, som avslöjade några av de dolda egenskaperna hos TNS excitonkondensat.
Kondensat är ett väldefinierat kvanttillstånd och med denna spektroskopiska teknik kan vissa av deras kvantegenskaper präglas på ljus. Detta kan få konsekvenser i det framväxande området av intrasslade ljuskällor (där flera ljuskällor har sammanlänkade egenskaper) som använder kvantmaterial.
"Jag tror att det är ett vidöppet område," sade Haque. "Demlers teori kan tillämpas på en rad andra material med olinjära optiska egenskaper. Med denna teknik kan vi upptäcka nya ljusinducerade fenomen som inte har utforskats tidigare."
Mer information: Sheikh Rubaiat Ul Haque et al, Terahertz parametrisk förstärkning som reporter av excitonkondensatdynamik, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01755-2
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av University of California - San Diego
