При исследовании квантового материала исследователи из Кембриджского университета, руководившие исследованием, обнаружили наличие неожиданно быстрые волны колебания энергии через материал при воздействии на него коротких и интенсивных лазерных импульсов.

Они смогли провести эти наблюдения с помощью микроскопической камеры контроля скорости, которая может отслеживать небольшие и очень быстрые движения в масштабе, который затруднен для многих других методов.

Этот метод исследует материал двумя световыми импульсами: первый мешает ему и создает волны - или колебания - распространяющиеся наружу по концентрическим кругам, так же, как при падении камня в пруд; второй световой импульс делает снимок этих волн в разное время.

Взятые вместе, эти изображения позволили им посмотреть, как ведут себя эти волны, и понять их «предел скорости».

«При комнатной температуре эти волны движутся со скоростью в одну сотую скорости света, намного быстрее, чем мы ожидаем от обычного материала. Но когда мы поднимаемся к более высоким температурам, это как если бы пруд замерз », - объяснила первый автор Хоуп Бретчер, которая проводила это исследование в Кембриджской лаборатории Кавендиша. «Мы вообще не видим, как эти волны удаляются от скалы. Мы долго искали, почему может происходить такое странное поведение ».

Единственное объяснение, которое, казалось, соответствовало всем экспериментальным наблюдениям, заключалось в том, что в материале при комнатной температуре находится фаза «экситонного изолятора» вещества, которая, хотя и предсказывалась теоретически, на протяжении десятилетий ускользала от обнаружения.

«В экситонном изоляторе наблюдаемые волны энергии поддерживаются заряженными нейтральными частицами, которые могут двигаться с электронными скоростями. Важно отметить, что эти частицы могут переносить информацию без препятствий со стороны механизмов рассеяния, которые в большинстве обычных материалов воздействуют на заряженные частицы, такие как электроны », - сказал доктор Акшай Рао из лаборатории Кавендиша, руководивший исследованием. «Это свойство может обеспечить более простой путь к расчетам с энергосбережением при комнатной температуре, чем при сверхпроводимости».

Затем команда из Кембриджа работала с теоретиками по всему миру, чтобы разработать модель того, как существует эта экситонная изолирующая фаза и почему эти волны ведут себя таким образом.

«Теоретики предсказали существование этой аномальной фазы несколько десятилетий назад, но экспериментальные трудности, связанные с обнаружением доказательств этого, означают, что только сейчас мы можем применять ранее разработанные структуры, чтобы получить лучшее представление о том, как она ведет себя в реальном материале», - прокомментировал Юта Мураками из Токийского технологического института, который участвовал в исследовании.

«Передача энергии без диссипации бросает вызов нашему нынешнему пониманию переноса в квантовых материалах и открывает воображение теоретиков новым путям их будущих манипуляций», - сказал соавтор Денис Голе из Института Йозефа Стефана и Университета Любляны.

«Эта работа приближает нас к созданию некоторых невероятно энергоэффективных приложений, которые могут использовать это свойство, в том числе в компьютерах», - заключил д-р Рао.

Эти результаты представлены в журнал Science Advances.