Investigadores del MIT y del Universidad de Texas en Austin capturó imágenes de una fase metaestable inducida por la luz oculta del universo en equilibrio usando una variedad de instrumentos espectroscópicos sofisticados. Usando métodos espectroscópicos de disparo único, observaron esta transición en tiempo real en un cristal 2D con cambios a nanoescala en la densidad electrónica.
A través de este trabajo, los investigadores mostraron el nacimiento y la evolución de una fase cuántica oculta inducida por un pulso láser ultracorto en un cristal modulado electrónicamente.
Zhuquan Zhang, coautor principal y actual estudiante graduado en química del MIT, dijo: “Por lo general, disparar láseres a los materiales es lo mismo que calentarlos, pero no en este caso. Aquí, la irradiación del cristal reorganiza el orden electrónico, creando una fase completamente nueva, diferente de la de alta temperatura”.
Keith A. Nelson, profesor de química de Haslam y Dewey en MITdijo, «Comprender el origen de tales fases cuánticas metaestables es importante para abordar preguntas fundamentales de larga data en la termodinámica de no equilibrio».
Edoardo Baldini, profesor asistente de física en UT-Austin, dijo: “La clave de este resultado fue el desarrollo de un método láser de última generación que puede ‘filmar’ procesos irreversibles en materiales cuánticos con una resolución de tiempo de 100 femtosegundos.”
Las capas unidas covalentemente de átomos de tantalio y azufre se superponen libremente para formar la sustancia conocida como disulfuro de tantalio. Los átomos y electrones del material forman diminutas formaciones de «Estrella de David» por debajo de una temperatura específica; esta distribución inusual de electrones se denomina «onda de densidad de carga».
baldini dijo, “La formación de esta nueva fase convierte al material en un aislante, pero el brillo de un solo pulso intenso de luz empuja el material hacia un metal oculto metaestable. Es un estado cuántico transitorio congelado en el tiempo. La gente ya ha observado esta fase oculta inducida por la luz, pero aún se desconocen los procesos cuánticos ultrarrápidos detrás de su génesis”.
Nelson dijo, “Uno de los principales desafíos es que observar una transformación ultrarrápida de un orden electrónico a otro que puede persistir indefinidamente no es práctico con las técnicas de resolución temporal convencionales”.
Los investigadores desarrollaron una nueva técnica que incluía dividir un solo pulso de láser de sonda en cientos de pulsos de sonda discretos que llegaban a la muestra en varios puntos antes y después de que el cambio fuera iniciado por un pulso de excitación ultrarrápida diferente. Crearon un video que ofrece poca información sobre los mecanismos por los cuales ocurren las transformaciones, monitoreando los cambios en cada pulso de la sonda después de que la muestra los haya reflejado o transmitido.
Zhiyuan Sun, becario postdoctoral en el Harvard Quantum Institute, dijo: «Al capturar la dinámica de esta transformación de fase compleja en una medición de un solo disparo, los autores demostraron que la fusión y el reordenamiento de la onda de densidad de carga conducen a la formación del estado oculto».
científicos observó, “Aunque este estudio se realizó con un material específico, ahora se puede utilizar la misma metodología para estudiar otros fenómenos exóticos en materiales cuánticos. Este descubrimiento también podría ayudar a desarrollar dispositivos optoelectrónicos con fotorrespuestas bajo demanda”.
Referencia del periódico:
- Franky Gao, Zhequan Zhang, et al. Instantáneas de una fase oculta metaestable inducida por la luz impulsada por el colapso del orden de carga. avances en la ciencia. 22 de julio de 2022. Vol 8, Número 29. DOI: 10.1126/sciadv.abp9076
