Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Лаборатория Беркли) теперь распутали интригующую динамику того, как плавятся и образуются такие полосы атомного масштаба, предоставив фундаментальные идеи, которые могут быть полезны при разработке новых энергетических материалов.В сильно коррелированных квантовых материалах преобладают взаимодействия между электронами.
Сложная связь этих электронов друг с другом — а также с электронными спинами и колебаниями кристаллов — приводит к экзотическим фазам, таким как зарядовое упорядочение или высокотемпературная сверхпроводимость.«Ключевая цель физики конденсированного состояния — понять силы, ответственные за сложные фазы и переходы между ними», — сказал Роберт Кайндл, главный исследователь и научный сотрудник Отделения материаловедения лаборатории Беркли. «Но в микроскопическом мире взаимодействия часто происходят чрезвычайно быстро. Если мы просто медленно нагреем или охладим материал, чтобы изменить его фазу, мы можем пропустить основное действие».Каиндл и его коллеги использовали сверхбыстрые лазерные импульсы, чтобы разделить микроскопическую динамику коррелированных квантовых материалов, чтобы получить доступ к взаимодействиям между электронами и с атомной решеткой кристалла во временной области.
Для этого исследования исследователи работали с никелатом лантана, квантовым материалом и модельным соединением полос. В частности, исследователи исследовали электронные заряды, которые образуют полосатый рисунок, и то, как они взаимодействуют с кристаллической решеткой.По словам исследователей, то, как заряды взаимодействуют с кристаллом, является ключевым элементом физики полос.
«Кристаллическая решетка вокруг полос заряда сильно искажается», — сказал Джакомо Кослович, который работал над исследованием в лаборатории Беркли. «Это изменение симметрии кристалла приводит к новым колебаниям решетки, которые мы, в свою очередь, можем обнаружить с помощью света на терагерцовых частотах».Каиндл и Кослович являются авторами статьи, сообщающей об этих результатах в Science Advances.В их экспериментах материал оптически возбуждается лазерным импульсом ближнего инфракрасного диапазона с длительностью 50 фемтосекунд и исследуется терагерцовым импульсом с переменной временной задержкой.
Фемтосекунда — это одна миллионная одной миллиардной секунды.Исследователи обнаружили неожиданную динамику при использовании лазера для нарушения микроскопического порядка.«Интересно то, что, хотя лазер сразу же возбуждал электроны, колебательные искажения в кристалле изначально оставались замороженными», — сказал Кослович, который сейчас является младшим научным сотрудником Национальной ускорительной лаборатории SLAC. «Полосовые колебания исчезли только через несколько сотен или нескольких тысяч фемтосекунд.
Мы также пришли к выводу, что скорость зависит от направления взаимодействий».Интерпретация экспериментов была подтверждена моделированием дисперсии фононов, проведенным Александром Кемпером из Университета штата Северная Каролина.Результаты обеспечивают важное понимание взаимодействий, или «клея», которые связывают электроны с колебаниями решетки в никелате лантана. Однако их более широкое значение связано с недавними наблюдениями за порядком заряда в высокотемпературных сверхпроводниках — материалах, в которых электрические токи могут протекать без сопротивления при температурах выше точки кипения жидкого азота.
Хотя механизм остается загадкой, недавние исследования продемонстрировали способность вызывать сверхпроводимость путем подавления полос короткими световыми импульсами.«Считается, что колеблющиеся полосы возникают в нетрадиционных сверхпроводниках.
Наше исследование ограничивает скорость изменения таких структур», — сказал Кайндл. «Это подчеркивает важность рассмотрения как пространственной, так и временной структуры клея».