Utilizando un láser ultrarrápido para inducir una transición de fase estable y de múltiples niveles en Ta2NiSe5
El control del estado de la materia cuántica es una de las principales fronteras de investigación en la ciencia de la materia condensada en la actualidad y tiene un impacto potencialmente significativo en el desarrollo de la ciencia y la tecnología de la información. Para sistemas de materiales cuánticos complejos, debido al acoplamiento de múltiples grados de libertad dentro de ellos, su competencia o cooperación hará que los materiales formen diferentes fluctuaciones cuánticas o estados cuánticos ordenados (como superconductividad, magnetismo, ondas de densidad, etc.). Por lo general, las personas pueden controlar su estado o propiedades físicas cuánticas cambiando la temperatura, la presión, el campo magnético y otros medios. En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología del láser pulsado, especialmente la tecnología experimental ultrarrápida basada en pulsos láser ultracortos con campos eléctricos instantáneos ultrafuertes, se está convirtiendo en uno de los medios avanzados para regular y detectar estados cuánticos de la materia. Por lo general, bajo excitación de campo débil, la tecnología de espectroscopia ultrarrápida se puede utilizar para detectar el proceso de relajación dinámica de materiales desde un estado de no equilibrio hasta un estado de equilibrio después de la excitación, mientras que la excitación láser de pulso de campo fuerte puede hacer que los materiales cuánticos experimenten transiciones de fase de escala de tiempo ultrarrápidas. Sin embargo, las transiciones de fase estables inducidas por láseres pulsados ultrarrápidos aún se encuentran en las primeras etapas de investigación, especialmente el estudio de las transiciones de fase entre aislante y metal.
Recientemente, el grupo de investigación del profesor Wang Nanlin y sus colaboradores del Centro de Ciencia de Materiales Cuánticos de la Facultad de Física de la Universidad de Pekín combinaron mediciones de transporte y excitación por láser de pulso para informar sobre el uso de láser pulsado en el ampliamente observado excitón. Material candidato a aislante Ta2NiSe5. El fenómeno de cambio de fase de múltiples niveles inducido y, a través de la tecnología de espectroscopía ultrarrápida de detección de bomba y microscopía electrónica de transmisión (TEM), revelan las características de evolución estructural durante el proceso de cambio de fase.
Este estudio encontró que bajo excitación de láser de pulso de intensidad moderada, se produce una transición de fase estructural transitoria reversible en Ta2NiSe5, que se refleja principalmente en la desaparición de ciertos fonones coherentes en el espectro ultrarrápido cuando el campo del láser de pulso; Intensidad mayor que un cierto umbral, el sistema será llevado a un nuevo estado estable de baja resistencia, y este estado de baja resistencia puede continuar de manera estable hasta al menos 350K. Otros experimentos de espectroscopía ultrarrápida y TEM de alta resolución mostraron que el nuevo estado estable tiene una estructura completamente diferente a la del sistema original y ha entrado en una nueva fase "oculta". El fenómeno de transición de fase de múltiples niveles inducido por la luz en el sistema Ta2NiSe5 y la nueva fase estable inducida por él proporcionan una referencia importante para que las personas estudien la interacción de excitones de este sistema y creen nuevas fases utilizando métodos de control de campo de luz. Vale la pena señalar que, por lo general, cambiar parámetros externos como la temperatura, la presión y el campo magnético es un proceso que cambia lentamente para el sistema material, lo que puede considerarse como un cambio en condiciones adiabáticas. Sin embargo, los pulsos láser ultracortos de campo fuerte pueden impulsar la energía cuántica. Los materiales experimentan cambios de escala de tiempo ultrarrápidos. Los cambios de fase en condiciones no adiabáticas pueden alcanzar un nuevo estado cuántico de la materia que es completamente inaccesible mediante cambios de temperatura, presión, campo magnético y otros métodos de cambio adiabático. El estado de baja resistencia logrado aquí por el sistema Ta2NiSe5 impulsado por luz es exactamente esa situación. Como nuevo método de control cuántico, el control ultrarrápido es de gran importancia para descubrir nuevos fenómenos y efectos.
Figura 1: (a) estructura reticular de Ta2NiSe5; (b) resultados del transporte antes y después de la transición de fase del láser pulsado de campo fuerte (3,5 mJ/cm2). El recuadro es un diagrama esquemático de la trayectoria óptica experimental; (c) la resistencia de la muestra Ta2NiSe5 cambia con el número de pulsos y las diferentes intensidades del campo eléctrico.
Figura 2: Análisis espectroscópico ultrarrápido de resolución temporal de la transición de fase inducida por luz de Ta2NiSe5. (a) Espectros de reflectancia en el dominio del tiempo del estado inicial (Prístino) y del estado de baja resistencia inducida por la luz (PI-LR). (b) Espectros de comparación de fonones del estado inicial y del estado de baja resistencia a baja temperatura de 50 K y alta temperatura de 350 K. (c) El proceso de evolución de fonones en el estado inicial y en el estado de baja resistencia durante el proceso de cambio de temperatura de 50 K a 350 K.
Figura 3: Caracterización estructural del estado inicial y del estado de baja resistencia fotoinducida (PI-LR) mediante microscopía electrónica TEM. (a) (b) El diagrama del modelo atómico de Ta2NiSe5 y el diagrama de distribución atómica proyectado en la dirección [1 1 0]. (c) (d) (e) son respectivamente la imagen de morfología (punto de difracción), la imagen de resolución atómica y la imagen de aumento del área seleccionada de la muestra en la dirección [1 1 0] del estado inicial a 300 K. (f)(g)(h) son las mismas representaciones del estado PI-LR, correspondientes a (c)(d)(e) respectivamente.
Este trabajo fue publicado en Nature Communications 12, 2050 (2021).
Wang Nanlin y el investigador asociado Wu Dong del Laboratorio de Materiales del Lago Songshan son los autores correspondientes del artículo Liu Qiaomei, candidato a doctorado en el Centro de Ciencia de Materiales Cuánticos, el investigador asociado Wu Dong del Laboratorio de Materiales del Lago Songshan y el investigador asociado Li Zian del Laboratorio de Materiales del Lago Songshan. El grupo de investigación de Li Jianqi en el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China. Es el coprimer autor del artículo. Este trabajo fue apoyado financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo del Ministerio de Ciencia y Tecnología.
Enlace original: /articles/s41467-021-22345-3