科学家使用超快激光技术冻结量子运动
量子材料在被外部源激发时表现出显着的涌现特性。 然而，一旦激发被移除，这些激发态就会迅速衰减，从而限制了它们的实际应用。 来自哈佛大学和 Paul Scherrer 研究所 PSI 的一组研究人员现在展示了一种稳定这些转瞬即逝的状态并使用 PSI 的 X 射线自由电子激光器 SwissFEL 发出的明亮 X 射线闪光来探测其量子行为的方法。 研究发现如下发表在《自然材料》杂志上。 一些材料表现出迷人的量子特性，可以带来从无损电子设备到大容量电池的变革性技术。 然而，当这些材料处于自然状态时，这些特性仍然被隐藏起来，科学家们需要轻轻地要求它们弹出来。 他们做到这一点的一种方法是使用超短光脉冲来改变这些材料的微观结构和电子相互作用，以便这些功能特性显现出来。 但美好的事物不会永远持续 - 这些光诱导状态是瞬态的，通常只持续几皮秒，因此很难在实际应用中利用它们。 在极少数情况下，光诱导的状态会变得很长。 然而，我们对这些现象的理解仍然有限，并且不存在设计持续兴奋态的通用框架。 来自哈佛大学的科学家团队与 PSI 的同事一起克服了这个问题通过纵氧化铜化合物中电子态的对称性来挑战。 在 PSI 使用 X 射线自由电子激光器 SwissFEL 时，他们证明了定制的光学激发可以诱导持续几纳秒的“亚稳态”非平衡电子状态——比它们通常持续的时间长大约一千倍。 用轻 引导电子 正在研究的化合物 Sr14Cu24O41——所谓的铜酸盐阶梯——几乎是一维的。 它由两个不同的结构单元，即所谓的梯子和链，代表铜原子和氧原子的组织形状。 这种一维结构提供了一个简化的平台来理解复杂的物理现象，这些现象也出现在高维系统中。 “这种材料就像我们的果蝇。 它是我们可以用来研究一般量子现象的理想化平台，“哈佛大学的实验凝聚态物理学家 Matteo Mitrano 评论道。领导研究。 实现长寿命（“亚稳态”）非平衡状态的一种方法是将其困在能量井中，使其没有足够的能量从中逸出。 然而，这种技术有可能诱导结构相变，从而改变材料的分子排列，而这正是 Mitrano 和他的团队想要避免的事情。 “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，”Mitrano 解释道。 因此，提出了一种替代方法。 在这种化合物中，链单元保持高密度的电子电荷，而梯子相对空。 在平衡时，电子态的对称性阻止了两个单元之间的电荷移动。 精确设计的激光脉冲打破了这种对称性，使电荷能够从链上进入量子隧道到梯子上。 “这就像打开和关闭阀门，”Mitrano 解释说。 一旦激光激发被关闭，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，并将系统困在一个新的长寿命状态一段时间内，以便科学家能够测量其特性。 尖端的快速 X 射线探头 在 SwissFEL 产生的超亮飞秒 X 射线脉冲允许捕捉控制亚稳态形成和随后稳定的超快电子过程行动。 在 SwissFEL Furka 终端站使用一种称为时间分辨共振非弹性 X 射线散射 （tr-RIXS） 的技术，研究人员可以深入了解磁、电和轨道激发及其随时间的变化，从而揭示通常对其他探测器隐藏的特性。 “我们可以专门针对那些决定系统物理特性的原子，”Furka 终端站组长兼负责人 Elia Razzoli 评论道。实验性设置。 ：这种能力是剖析导致亚稳态的光诱导电子运动的关键。 “通过这项技术，我们可以观察电子如何在其固有的超快时间尺度上移动，从而揭示电子亚稳态，”哈佛大学博士后学者、该论文的主要作者 Hari Padma 补充道。 是众多即将到来的 tr-RIXS 对激发材料的能量和动量动力学提供了独特的见解，开启了为 SwissFEL 用户研究量子材料提供新的科学机会; 事实上，这些结果来自用户组在新 Furka 终端站进行的第一次实验。 正是对 Furka 开发 tr-RIXS 的兴趣促使哈佛团队与 PSI 的科学家合作。 “这是一个难得的机会，可以在可以进行此类实验的机器上抽出时间，”Mitrano 评论道。 自从这个最初的试点实验以来，Furka 终端站经过升级以提高 RIXS 能量分辨率，并已准备好研究新型的单个和集体激励，例如晶格激励。 “这个实验对于展示我们可以进行的实验类型非常重要。 终端站及其仪表现在已经好多了，我们将继续改进它，“Razzoli 总结道。 这项工作代表了在控制量子材料远离平衡方面向前迈出的重要一步，具有广泛的对未来技术的影响。 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。 这可能使超快光电设备成为可能，包括将电信号转换为光（反之亦然）的传感器——量子通信和光子计算的关键组件。 它还提供了一条通往非易失性信息存储的途径，其中数据以创建的量子态进行编码，并且由光控制。