Bestimmte Materialien haben wünschenswerte Eigenschaften, die verborgen bleiben, und so wie man mit einer Taschenlampe im Dunkeln sehen würde, können Wissenschaftler Licht nutzen, um diese Eigenschaften aufzudecken.
Forscher der University of California in San Diego haben mithilfe einer fortschrittlichen optischen Technik mehr über ein Quantenmaterial namens Ta2NiSe5 (TNS) erfahren. Ihre Arbeit erscheint In Naturmaterialien.
Materialien können durch verschiedene äußere Reize gestört werden, oft durch Temperatur- oder Druckänderungen; Da Licht jedoch das schnellste Ding im Universum ist, reagieren Materialien sehr schnell auf optische Reize und offenbaren Eigenschaften, die sonst verborgen bleiben würden.
„Im Wesentlichen strahlen wir einen Laser auf ein Material und es ist wie Stop-Action-Fotografie, bei der wir schrittweise eine bestimmte Eigenschaft dieses Materials verfolgen können“, sagte Physikprofessor Richard Averitt, der die Forschung leitete und einer der Autoren des Papiers ist. „Indem wir untersuchen, wie sich die einzelnen Partikel in diesem System bewegen, können wir diese Eigenschaften herausfinden, die sonst nur schwer zu finden sind.“
Das Experiment wurde vom Hauptautor Sheikh Rubaiat Ul Haque durchgeführt, der 2023 seinen Abschluss an der UC San Diego machte und jetzt Postdoktorand an der Stanford University ist. Zusammen mit Yuan Zhang, einem weiteren Doktoranden in Averitts Labor, verbesserte er eine Technik namens Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie. Diese Technik ermöglicht es Wissenschaftlern, die Eigenschaften eines Materials über einen Frequenzbereich zu messen, und Haques Verbesserungen ermöglichten ihnen den Zugang zu einem breiteren Frequenzbereich.
Die Arbeit basierte auf einer Theorie, die von einem anderen Autor des Papiers, Eugene Demler, einem Professor an der ETH Zürich, entwickelt wurde. Demler und sein Doktorand Marios Michael entwickelten die Idee, dass sich bestimmte Quantenmaterialien, wenn sie durch Licht angeregt werden, in ein Medium verwandeln könnten, das Licht im Terahertz-Frequenzbereich verstärkt. Dies veranlasste Haque und Kollegen, sich eingehend mit den optischen Eigenschaften von TNS zu befassen.
Wenn ein Elektron durch ein Photon auf ein höheres Niveau angeregt wird, hinterlässt es ein Loch. Wenn Elektron und Loch gebunden sind, entsteht ein Exziton. Exzitonen können auch ein Kondensat bilden – einen Zustand, der auftritt, wenn Teilchen zusammenkommen und sich wie eine Einheit verhalten.
Mithilfe der Technik von Haque, gestützt auf Demlers Theorie und mithilfe von Dichtefunktionalberechnungen der Gruppe von Angel Rubio am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie konnte das Team eine anomale Terahertz-Lichtverstärkung beobachten, die einige der verborgenen Eigenschaften der Materie aufdeckte TNS-Exzitonenkondensat.
Kondensate sind ein wohldefinierter Quantenzustand und mithilfe dieser spektroskopischen Technik könnten einige ihrer Quanteneigenschaften in Licht eingeprägt werden. Dies könnte Auswirkungen auf das aufstrebende Gebiet der verschränkten Lichtquellen (bei denen mehrere Lichtquellen miteinander verbundene Eigenschaften haben) unter Verwendung von Quantenmaterialien haben.
„Ich denke, es ist ein weites, offenes Gebiet“, sagte Haque. „Demlers Theorie kann auf eine Reihe anderer Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften angewendet werden. Mit dieser Technik können wir neue lichtinduzierte Phänomene entdecken, die bisher noch nicht erforscht wurden.“
Mehr Informationen:
Scheich Rubaiat Ul Haque et al., Parametrische Terahertz-Verstärkung als Berichterstatter für die Dynamik von Exzitonenkondensaten, Naturmaterialien (2024). DOI: 10.1038/s41563-023-01755-2