Wissenschaftler erfassen erstmals einen Blick auf eine verborgene Quantenphase in einem 2D-Kristall

Die Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-Blitzfotografie in den 1960er Jahren durch den verstorbenen MIT-Professor Harold „Doc“ Edgerton ermöglichte es uns, Ereignisse zu visualisieren, die für das Auge zu schnell waren – eine Kugel, die einen Apfel durchbohrt, oder ein Tropfen, der auf eine Milchlache trifft.

Jetzt haben Wissenschaftler des MIT und der University of Texas at Austin mithilfe einer Reihe fortschrittlicher spektroskopischer Werkzeuge zum ersten Mal Schnappschüsse einer lichtinduzierten metastabilen Phase aufgenommen, die vor dem Gleichgewichtsuniversum verborgen ist. Durch die Verwendung von Single-Shot-Spektroskopietechniken an einem 2D-Kristall mit nanoskaligen Modulationen der Elektronendichte konnten sie diesen Übergang in Echtzeit beobachten.

„Mit dieser Arbeit zeigen wir die Geburt und Entwicklung einer verborgenen Quantenphase, die durch einen ultrakurzen Laserpuls in einem elektronisch modulierten Kristall induziert wird“, sagt Frank Gao Ph.D. ’22, Co-Hauptautor eines Artikels über die Arbeit, der derzeit Postdoc an der UT Austin ist.

„Normalerweise ist es dasselbe, Materialien mit Lasern zu bestrahlen, wie sie zu erhitzen, aber in diesem Fall nicht“, fügt Zhuquan Zhang, Co-Hauptautor und derzeitiger MIT-Student in Chemie, hinzu. „Hier ordnet die Bestrahlung des Kristalls die elektronische Ordnung neu und erzeugt eine völlig neue Phase, die sich von der Hochtemperaturphase unterscheidet.“

Ein Artikel über diese Forschung wurde heute in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte. Das Projekt wurde gemeinsam von Keith A. Nelson, Haslam- und Dewey-Professor für Chemie am MIT, und Edoardo Baldini, Assistenzprofessor für Physik an der UT-Austin, koordiniert.

Lasershows

„Das Verständnis des Ursprungs solcher metastabiler Quantenphasen ist wichtig, um langjährige grundlegende Fragen in der Nichtgleichgewichtsthermodynamik zu beantworten“, sagt Nelson.

„Der Schlüssel zu diesem Ergebnis war die Entwicklung eines hochmodernen Laserverfahrens, das irreversible Prozesse in Quantenmaterialien mit einer zeitlichen Auflösung von 100 Femtosekunden ‚filmen‘ kann.“ fügt Baldini hinzu.

Das Material Tantaldisulfid besteht aus kovalent gebundenen Lagen von Tantal- und Schwefelatomen, die lose übereinander gestapelt sind. Unterhalb einer kritischen Temperatur bilden die Atome und Elektronen des Materials nanoskalige „Davidstern“-Strukturen – eine unkonventionelle Verteilung von Elektronen, die als „Ladungsdichtewelle“ bekannt ist.

Die Bildung dieser neuen Phase macht das Material zu einem Isolator, aber das Leuchten eines einzelnen, intensiven Lichtimpulses drückt das Material in ein metastabiles verborgenes Metall. „Es ist ein vorübergehender Quantenzustand, der in der Zeit eingefroren ist“, sagt Baldini. „Menschen haben diese lichtinduzierte verborgene Phase schon früher beobachtet, aber die ultraschnellen Quantenprozesse hinter ihrer Entstehung waren noch unbekannt.“

Nelson fügt hinzu: „Eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass die Beobachtung einer ultraschnellen Transformation von einer elektronischen Ordnung zu einer, die unbegrenzt bestehen kann, mit herkömmlichen zeitaufgelösten Techniken nicht praktikabel ist.“

Impulse der Einsicht

Die Forscher entwickelten eine einzigartige Methode, bei der ein einzelner Sondenlaserimpuls in mehrere hundert verschiedene Sondenimpulse aufgeteilt wurde, die alle zu unterschiedlichen Zeiten an der Probe ankamen, bevor und nachdem das Umschalten durch einen separaten, ultraschnellen Anregungsimpuls initiiert wurde. Indem sie Änderungen in jedem dieser Sondenimpulse messen, nachdem sie von der Probe reflektiert oder durch die Probe übertragen wurden, und die Messergebnisse dann wie einzelne Bilder aneinanderreihen, könnten sie einen Film konstruieren, der mikroskopische Einblicke in die Mechanismen bietet, durch die Transformationen stattfinden.

Durch die Erfassung der Dynamik dieser komplexen Phasenumwandlung in einer Einzelschussmessung zeigten die Autoren, dass das Schmelzen und die Umordnung der Ladungsdichtewelle zur Bildung des verborgenen Zustands führt. Theoretische Berechnungen von Zhiyuan Sun, einem Postdoc des Harvard Quantum Institute, bestätigten diese Interpretation.

Während diese Studie mit einem bestimmten Material durchgeführt wurde, sagen die Forscher, dass die gleiche Methodik nun verwendet werden kann, um andere exotische Phänomene in Quantenmaterialien zu untersuchen. Diese Entdeckung kann auch bei der Entwicklung von optoelektronischen Geräten mit bedarfsgerechter Lichtantwort hilfreich sein.

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.