La toute première vue d’une phase quantique cachée capturée dans un cristal 2D

Des chercheurs du MIT et L’Université du Texas à Austin Des images d’une phase induite par la lumière instable cachée de l’univers à l’équilibre ont été prises à l’aide d’une variété d’instruments spectroscopiques complexes. À l’aide de méthodes spectroscopiques à un seul coup, ils ont observé cette transition en temps réel sur un cristal bidimensionnel avec des changements à l’échelle nanométrique de la densité électronique.

Grâce à ces travaux, les chercheurs ont démontré la naissance et l’évolution d’une phase quantique subtile provoquée par une impulsion laser ultracourte dans un cristal modifié électroniquement.

Zhuquan Zhang, co-auteur principal et étudiant diplômé en chimie du MIT, a déclaré : « Habituellement, la luminosité du laser sur le matériau est la même que celle de le chauffer, mais pas dans ce cas. Ici, l’irradiation du cristal réorganise le système électronique, créant une phase entièrement nouvelle qui est différente de la phase à haute température. ”

Keith A. Nelson, professeur de chimie Hassan et Dewey à Massachusetts Institute of TechnologyIl a dit, « Comprendre l’origine de ces phases quantiques instables est important pour aborder les questions fondamentales de longue date de la thermodynamique hors équilibre. »

Edoardo Baldini, professeur adjoint de physique à UT-Austin, a déclaré : « La clé de ce résultat a été le développement d’une méthode laser moderne qui peut ‘faire des films’ de processus irréversibles dans le matériaux quantiques avec une précision temporelle de 100 femtosecondes.

Les couches de liaison covalente d’atomes de tantale et de soufre sont superposées de manière lâche pour former une substance connue sous le nom de disulfure de tantale. Les atomes et les électrons du matériau forment de petites formations en « étoile de David » sous une certaine température. Cette distribution inhabituelle d’électrons est appelée « onde de densité de charge ».

Baldini a dit, « La formation de cette nouvelle phase fait du matériau un isolant, mais une seule impulsion lumineuse intense pousse le matériau dans un métal caché stable. C’est un état quantique transitoire figé dans le temps. Les gens ont déjà observé cette phase cachée induite par la lumière. , mais les processus quantiques ultrarapides à l’origine de sa genèse ne sont pas encore inconnus. »

Nelson a dit, « L’un des principaux défis est qu’il n’est pas pratique d’observer une transition ultra-rapide d’un système électronique unique à un système qui peut continuer indéfiniment, les technologies traditionnelles étant résolues au fil du temps. »

Les chercheurs ont développé une nouvelle technique qui consistait à diviser une impulsion laser à sonde unique en centaines d’impulsions de sonde distinctes qui atteignaient toutes l’échantillon à différents points avant et après l’activation d’une impulsion d’excitation ultrarapide différente. Ils ont créé une vidéo qui fournit des informations précises sur les mécanismes par lesquels les transitions se produisent en observant les changements dans chaque impulsion de sonde après qu’elle soit réfléchie ou transmise à travers l’échantillon.

Zhiyuan Sun, chercheur postdoctoral à l’Institut quantique de l’Université de Harvard, a déclaré : « En capturant la dynamique de ce déphasage complexe dans une mesure unique, les auteurs démontrent que la fusion et le réarrangement des ondes de densité de charge conduisent à la formation de l’état caché. »

Scientifiques pointuEt le Bien que cette étude ait été réalisée à l’aide d’un matériau spécifique, la même méthodologie peut maintenant être utilisée pour étudier d’autres phénomènes exotiques dans les matériaux quantiques. Cette découverte peut également aider au développement de dispositifs optoélectroniques à la demande avec une photoréponse.

Référence de la revue :

1. Frankie Zhao, Zhiquan Zhang et al. Instantanés d’une phase induite par la lumière cachée entraînée par l’effondrement de l’arrangement de charge. progrès scientifique. 22 juillet 2022. Volume 8, numéro 29. DOI : 10.1126 / sciadv.abp9076