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        当量子材料被外部来源激发时，它们表现出显着的新兴特性。 但是，一旦消除了激发，这些激发的状态迅速衰减，从而限制了其实际应用。 哈佛大学和Paul Scherrer Institute PSI的一组研究人员现已展示了一种稳定这些短暂状态并使用PSI X射线免费电子激光Swissfel的明亮X射线闪光灯来探测其量子行为的方法。 发现是发表在《杂志》材料中。

        某些材料具有引人入胜的量子特性，可以导致变革性技术，从无损电子到高容量电池。 但是，当这些材料处于自然状态时，这些特性仍然隐藏，科学家需要轻轻要求它们弹出。 他们可以做到这一点的一种方法是使用超短脉冲来改变这些材料中的微观结构和电子相互作用，以便这些功能特性出现。 但是美好的事物并不能永远持续下去 - 这些光引起的状态是短暂的，通常只持续几个皮秒，这使得它们难以在实际应用中利用。 在极少数情况下，光引起的状态长期存在。 然而，我们对这些现象的理解仍然有限，并且没有用于设计最后的激动国家的一般框架。

        由哈佛大学的一组科学家和PSI同事克服了这一点通过操纵铜氧化物化合物中电子状态的对称性来挑战。 他们使用PSI处的X射线游离电子激光Swissfel，证明了量身定制的光激发可以诱导几纳米秒的“可稳定”的非平衡电子状态 - 比通常长约一千倍。

        转向电子带有光

        研究的化合物SR14CU24O41-所谓的铜阶梯子 - 几乎是一维的。 它是组成的在两个不同的结构单元中，所谓的梯子和链，代表铜和氧原子组织的形状。 这种一维结构提供了一个简化的平台，可以理解复杂的物理现象，并在高维系统中出现。 “这种材料就像我们的果蝇一样。这是我们可以用来研究一般量子现象的理想化平台。”领导研究。

        实现长寿（“亚稳态”）非平衡状态的一种方法是将其捕获到一个能量井中，其能量没有足够的能量逃脱。 但是，这项技术有可能引起结构相转换，以改变材料的分子布置，这是Mitrano和他的团队希望避免的事情。 “我们想弄清楚是否有另一种方法可以通过纯电子方法将材料锁定在非平衡状态下，”米特拉诺解释。 因此，提出了另一种方法。

        在该化合物中，链单元具有高密度的电子电荷，而梯子相对较空。 在平衡下，电子状态的对称性阻止了两个单元之间的任何电荷运动。 精确设计的激光脉冲破坏了这种对称性，从而使电荷从链到梯子量子。 米特拉诺解释说：“这就像打开和关闭阀门。” 一旦关闭激光激发，连接梯子和链条的隧道关闭，切断了这两个单元之间的通信，并以新的长寿命状态将系统捕获一段时间，从而使科学家能够测量其性质。

        尖端快速快速X射线探针

        在瑞士菲尔生成的超光秒X射线脉冲允许构建地层的超快电子工艺，并随后稳定了亚稳态的状态。行动。 研究人员使用一种称为时间分辨的谐振非弹性X射线散射（TR-RIX）的技术，研究人员可以在磁性，电气和轨道激发上获得独特的洞察力 - 及其随着时间的推移的演变 - 揭示了通常隐藏在其他探针中的特性。

“我们可以专门针对那些决定系统物理特性的原子”，说明了Furka终端部门的小组负责人Elia Razzoli，并负责实验设置。

        这种能力是剖析引起亚稳态的光引起的电子运动的关键。 “通过这种技术，我们可以观察到电子如何在其固有的超快时间范围内移动，从而揭示了电子亚稳定性，”哈佛大学博士后学者兼论文的主要作者Hari Padma补充说。

tr-rixs中的第一个为激发材料的能量和动量动态提供了独特的见解Swissfel用户研究量子材料的新科学机会； 实际上，这些结果来自新的Furka终端站的用户组进行的第一个实验。 正是对Furka的Tr-Rix的开发的兴趣，激发了哈佛团队与PSI的科学家合作。 米特拉诺说：“这是一个难得的机会，可以在一台机器上进行这类实验。”

        自最初的试点实验以来已经进行了升级以改善RIXS的能源分辨率，并准备研究新型的个人和集体激发，例如晶格激发。 Razzoli总结道：“这项实验对于展示我们可以进行的实验非常重要。现在的终点站及其仪器已经好得多，我们将不断改进。”

        这项工作代表了控制量子材料远离平衡的重要一步，对未来技术的影响。 通过稳定光诱导的非平衡状态，该研究为设计具有可调功能的材料开辟了新的可能性。 这可以实现超快光电设备，包括将电信号转换为光线的传感器，反之亦然 - 用于量子通信和光子计算的关键组件。 它还提供了通往非易失性信息存储的途径，其中数据是在创建的量子状态中编码的，并且由光控制。