Fizycy MIT dokonali wielkiej rzeczy

Fizycy dokonali czegoś niesamowitego. Przy pomocy światła zmienili fazę materiału

Fizycy dokonali czegoś, co do tej pory pozostawało nieosiągalne. Działając na dwusiarczek tantalu udało się im dostrzec ukrytą fazę kwantową materiału. Osiągnięcie to może mieć przełożenie na budowę komputerów kwantowych i technologii optoelektronicznych.

Dzięki rozwojowi szybkiej fotografii stroboskopowej w latach 60. ubiegłego wieku przez prof. Harolda „Doca” Edgertona pozwolił nam na wizualizację zdarzeń zbyt szybkich dla oka. Mogliśmy zobaczyć pocisk przebijający jabłko czy kroplę uderzającą w basen. Wykorzystując podobny zestaw narzędzi, naukowcy z MIT i Uniwersytetu Teksańskiego w Austin poszli krok dalej. Uchwycili migawkę wywołaną światłem fazy metastabilnej oglądaną w czasie rzeczywistym. Szczegóły opisano w czasopiśmie Science Advances.

Zazwyczaj świecenie laserami na materiały jest tożsame z ich podgrzewaniem, ale nie w tym przypadku. Tutaj napromieniowanie kryształu powoduje rearanżację porządku elektronowego, tworząc zupełnie nową fazę, inną od tej wysokotemperaturowej.Zhuquan Zhang z MIT

Zrozumienie pochodzenia takich metastabilnych faz kwantowych jest ważne dla rozwiązania długoletnich fundamentalnych pytań w termodynamice.

Kluczem do tego wyniku było opracowanie najnowocześniejszej metody laserowej, która może nagrywać filmy nieodwracalnych procesów w materiałach kwantowych z rozdzielczością czasową 100 femtosekund.Edoardo Baldini z MIT

Niezwykłe manipulacje światłem

Dwusiarczek tantalu składa się z kowalencyjnie związanych warstw atomów tantalu i siarki ułożonych luźno jeden na drugim. Poniżej krytycznej temperatury atomy i elektrony materiału wzorują się na nanoskalowych strukturach „gwiazdy Dawida” – niekonwencjonalnym rozkładzie elektronów znanym jako „fala gęstości ładunku”.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Tworzenie nowej fazy czyni materiał izolatorem, ale wystarczy podziałać na niego światłem, by przemienić go w metastabilny ukryty metal.

Jest to przejściowy stan kwantowy zamrożony w czasie. Ludzie obserwowali tę indukowaną światłem fazę ukrytą już wcześniej, ale ultraszybkie procesy kwantowe stojące za jej genezą były wciąż nieznane.Edoardo Baldini

Fizykom udało się stworzyć nowatorską metodę polegającą na podzieleniu pojedynczego impulsu lasera na kilkaset mniejszych impulsów, które docierały do próbki w różnym czasie przed i po rozpoczęciu pomiaru. Stworzony na podstawie pomiarów film oferuje wgląd w mechanizmy, dzięki którym zachodzą przemiany w materiale.

Mimo że badanie przeprowadzono tylko na jednym materiale – dwusiarczku tantalu – ta sama metodologia może zostać wykorzystana do badania innych egzotycznych zjawisk w materiałach kwantowych. Odkrycie to może również pomóc w rozwoju urządzeń optoelektronicznych z fotoreakcjami na żądanie.