Сверхбыстрый контроль квантовых материалов

Исследователи резюмируют свой прогресс в этой области, который, помимо прочего, основан на экспериментах, которые также могут быть выполнены на швейцарском рентгеновском лазере на свободных электронах SwissFEL, i.

Квазидвумерный кристалл, помещенный между контактами, возбуждается лазерным импульсом (красный). В облучаемой области его физические свойства могут резко меняться в ультракоротких фемтосекундных временных масштабах. Это может привести к индуцированной светом сверхпроводимости, переключению между изолирующей и металлической фазами или новым топологическим состояниям Флоке с необычными свойствами переноса заряда. Предоставлено: Альберто де ла Торре, Данте Кеннес, Мартин Клаассен, Саймон Гербер, Джеймс МакИвер, Майкл Зентеф.

Исследователи исследуют, как свет может коренным образом изменить свойства твердых тел и как эти эффекты могут быть использованы в будущих приложениях. Обзор последних достижений в области сверхбыстрого материаловедения предназначен как руководство для аспирантов, начинающих работать в этой области, так и стандартное руководство для сообщества. Помимо исследователя PSI Саймона Гербера, его написали лидеры группы MPSD Джеймс Макивер и Майкл Сентеф, а также Данте Кеннес из RWTH Ахенского университета, Альберто де ла Торре (Университет Брауна, США) и Мартин Клаасен (Университет Пенсильвании, США). . Команда обсуждает эксперименты и теоретические идеи о том, как твердые тела реагируют на возбуждение короткими лазерными импульсами или на взаимодействие света и вещества во время облучения светом.

Кусок материала, оставленный в покое, обычно находится в тепловом равновесии и регулируется законами термодинамики, в которых несколько известных внешних условий (таких как температура и давление) полностью определяют его поведение. Однако многие практические приложения требуют знания не только состояния равновесия данного материала, но и его возбуждений. «Если бы мы могли создавать возбужденные состояния по своему желанию, это позволило бы нам создавать новые приложения, например, в области высокоскоростной обработки и хранения информации, передачи энергии без потерь и квантовых технологий», – объясняет Саймон Гербер.

Как секунда по сравнению с возрастом вселенной

В последние годы в области «экспериментов с накачкой и зондом» произошел огромный прогресс. В этих экспериментах, которые могут проводиться на швейцарском рентгеновском лазере на свободных электронах SwissFEL, короткий лазерный импульс «накачки» переводит материал в возбужденное состояние. Затем стробоскопические «зондовые» измерения создают покадровые видеоролики о последующей динамике. «Благодаря техническим достижениям ученые теперь могут контролировать электроны, их спиновые и орбитальные степени свободы, а также кристаллическую решетку ионов», – говорит Майкл Зентеф. «Важно отметить, что мы можем отслеживать эти контролируемые состояния материи с временным разрешением в фемтосекунды».

Чтобы изучить эту быстро развивающуюся область, ученые сформировали команду, в которую вошли как экспериментаторы – де ла Торре, МакИвер и Гербер, так и теоретики – Клаассен, Кеннес и Зентеф. «Мы считаем, что жизненно важно определить объединяющие темы того, как мы можем управлять материалами с помощью света, и продвигать их к приложениям», – говорит Данте Кеннес.

Саймон Гербер подчеркивает новый аспект, заключающийся в том, что различные методы исследования могут быть объединены для одновременного изучения различных частей динамической системы. «Когда вы воздействуете на материал лазером, электроны толкаются, и ионы, образующие кристаллическую решетку, одновременно начинают двигаться», – объясняет он. «В отличие от теплового равновесия, где всегда существует баланс между этими различными составляющими системы, лазер может нарушить этот баланс, что приведет к неравновесным состояниям, когда энергия течет внутри материала иногда неожиданным образом. Бесценно узнать о том, как разные части реагируют на внешнюю движущую силу, а также друг на друга. Например, мы узнали о взаимных силах между электронами и ионами, отслеживая их динамику одновременно ».

Такие новые идеи открывают путь для будущей работы, добавляет Зентеф: «Полученные знания, например, позволяют нам лучше понять, какие пары электронов заставляют создавать лучшие сверхпроводники, материалы, которые проводят электричество без тепловых потерь и создают фантастические магниты».

Вдохновение благодаря сочетанию теории и практики

«Новые экспериментальные возможности также стимулируют теоретические идеи, которые, в свою очередь, побуждают экспериментаторов искать способы реализации этих идей», – говорит Мартин Клаассен. «Например, около десяти лет назад теоретики предложили изменить топологию материала – квантово-механическое свойство, которое может привести к бездиссипативному переносу по его краям при сохранении изоляции в объеме – путем освещения материала. Это называется инженерией Флоке в честь французского математика, который изобрел формализм для описания динамических систем, которые управляются силами, которые колеблются в реальном времени ».

Результирующие топологические состояния Флоке только недавно были измерены в эксперименте под руководством Джеймса МакИвера. «Для этого нам пришлось изобрести и построить совершенно новый эксперимент», – говорит он. «В нашем обзоре мы подчеркиваем синергизм, который создается, когда теория и эксперимент идут рука об руку. Мы считаем, что сейчас созрела возможность перейти от открытий новых эффектов в материалах, управляемых лазером, к использованию этих эффектов в потенциальных технологиях ».

Де ла Торре добавляет, что «один из способов добиться этого – использовать методы выращивания материала для создания образцов с желаемым равновесным и возбужденным состояниями. Затем ими можно управлять с помощью коротких лазерных импульсов. Очевидно, что это командные усилия, движимые как экспериментальным прогрессом, так и теоретическим пониманием, и мы надеемся, что наш обзор поможет сформировать еще более сильное сообщество и привлечь особенно молодых исследователей к участию в этом научном путешествии ».