Ett internationellt team av forskare har presenterat nya idéer för ultrasnabb multidimensionell spektroskopi av starkt korrelerade fasta ämnen. Deras arbete publiceras i Nature Photonics.
Teamet involverade forskare från Europeiska XFEL med kollegor från Max Born Institute i Berlin, universiteten i Berlin och Hamburg, University of Tokyo, Japanese National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), holländska Radboud University, Imperial College London och Hamburg Centre for Ultrafast Imaging.
"Starkt korrelerade fasta ämnen är komplexa och fascinerande kvantsystem där nya elektroniska tillstånd ofta uppstår, särskilt när de interagerar med ljus", säger Alexander Lichtenstein från Hamburgs universitet och Eu-XFEL.
Starkt korrelerade material, som inkluderar högtemperatursupraledare, vissa typer av magnetiska material och vridna kvantmaterial bland annat, utmanar båda vår grundläggande förståelse av mikrokosmos och erbjuder möjligheter för många spännande tillämpningar, allt från materialvetenskap till informationsbearbetning till medicin:supraledare används till exempel av MR-skannrar.
Det är därför det är mycket viktigt att förstå hierarkin och samspelet mellan de olika elektroniska tillstånden som uppstår i starkt korrelerade material. Samtidigt utmanar det våra experimentella och teoretiska verktyg, eftersom transformationer mellan dessa tillstånd ofta är förknippade med fasövergångar.
Fasövergångar är omvandlingar som inte utvecklas smidigt från ett stadium till nästa utan kan inträffa plötsligt och snabbt, särskilt när materialet interagerar med ljus.
Vilka är vägarna för laddning och energiflöde under en sådan övergång? Hur snabbt sker det? Kan ljus användas för att kontrollera det och för att skulptera elektronkorrelationerna? Kan ljuset föra materialet till ett tillstånd som materialet inte skulle befinna sig i under de vanliga omständigheterna?
Det här är den typ av frågor som kan lösas med kraftfulla och känsliga enheter som röntgenlasrar som den europeiska XFEL i Schenefeld nära Hamburg och med de moderna optiska verktygen inom attosecond vetenskap (1 attosecond =10 -18 andra. På en attosekund färdas ljuset mindre än en miljondels millimeter).
I sitt arbete presenterar det internationella teamet nu ett helt nytt tillvägagångssätt som gör det möjligt att övervaka och dechiffrera den ultrasnabba laddningsrörelsen som utlöses av kort laserpuls som lyser upp ett starkt korrelerat system. De har utvecklat en variant av ultrasnabb flerdimensionell spektroskopi, och drar fördel av attosekundkontrollen av hur flera ljusfärger läggs till för att bilda en ultrakort laserpuls.
Undercykelns tidsupplösning som erbjuds av denna spektroskopi visar det komplexa samspelet mellan de olika elektroniska konfigurationerna och visar att en fasövergång från ett metalliskt tillstånd till ett isolerande tillstånd kan ske inom mindre än en femtosekund – dvs. på mindre än en kvadrilliondels sekund.
"Våra resultat öppnar upp ett sätt att undersöka och specifikt påverka ultrasnabba processer i starkt korrelerade material som går utöver tidigare metoder", säger Olga Smirnova från Max Born-institutet och Berlin TU, pristagare av Mildred Dresselhaus-priset från Hamburg Center for Ultrafast Imaging . "Vi har alltså utvecklat ett nyckelverktyg för att komma åt nya ultrasnabba fenomen i korrelerade fasta ämnen."
Mer information: Undercykel multidimensionell spektroskopi av starkt korrelerade material, Naturfotonik (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01371-1
Journalinformation: Naturfotonik
Tillhandahålls av Max Born Institute for Nolinar Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)
