Лазер творит чудеса с квантовыми материалами
Ученые из США и России изучили необычный фазовый переход в квантовом материале под действием лазерного импульса. Работа вносит вклад в развитие оптоэлектроники, сообщает пресс-служба Сколковского института науки и технологий. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Physics.
Если лед взять в руку, то он расплавится, то есть перейдет из твердой фазы в жидкую. В природе существует много подобных фазовых переходов, возникающих при изменении температуры вещества. Однако фазовый переход можно вызвать не только соприкосновением с более горячей или холодной средой, но и воздействием лазера. Лазер тоже изменит температуру, но сделает это очень быстро.
Международная группа ученых, в состав которой вошли исследователи из Массачусетского технологического института США (MIT) и Сколтеха, изучала влияние лазерного импульса на фазовый переход, при котором в квантовом материале спонтанно возникает волна зарядовой плотности электронов. Результаты, представленные в статье, указывают на то, что лазерный импульс приводит к возникновению особых долгоживущих микроскопических объектов, называемых топологическими дефектами. Их важно учитывать при дизайне новых оптоэлектронных устройств, использующих материалы данного типа.
О том, как возможность учитывать топологические дефекты поможет при дизайне новых оптоэлектронных устройств, «Стимулу» рассказал руководитель физиков-теоретиков из Сколтеха профессор Борис Файн. По его словам, исследование применений материалов, в которых возникает волна зарядовой плотности, в настоящий момент находится на начальной стадии. Для потенциальных применений важен тот факт, что многие из этих материалов, в том числе материал, исследуемый в статье, переходят в фазу с волной зарядовой плотности при температуре выше комнатной, то есть для их применения не требуется постоянного охлаждения.
«Когда к таким материалам прикладывается электрическое напряжение, волна зарядовой плотности при малых напряжениях стоит на месте, а при больших напряжениях срывается и начинает двигаться, что приводит к скачку электрического тока. На этот скачок тока также влияет облучение материалов светом. Таким образом, данное явление может быть использовано для детектирования светового излучения, а также для преобразования оптических сигналов в электрические. Облучение светом будет неизбежно создавать в волне зарядовой плотности топологические дефекты, которые, в свою очередь, будут влиять на функциональные свойства этих материалов. Каким будет это влияние, полезным или вредным, и как его контролировать — это требует дальнейших исследований», — отметил Борис Файн.
Эксперименты, потрясающие своей сложностью, проводила группа ученых из MIT под руководством профессора Нуха Гедика. Современная аппаратура позволила исследователям замерять состояние вещества в кратчайшие временные интервалы. После подачи лазерного импульса изменения в материале фиксировались с временным разрешением меньше одной триллионной доли секунды.
Интерпретировать полученные данные и обнаружить топологические дефекты американским коллегам помогла группа исследователей под руководством Бориса Файна.
Топологические фазы в квантовых материалах — горячая тема для физиков, математиков и химиков. В 2016 году Нобелевская премия по физике была присуждена Дэйвиду Таулессу, Майклу Костерлицу и Данкану Холдейну как раз за открытие топологических фаз и топологических фазовых переходов. Влияние топологических дефектов на фазовые переходы впервые было осознано и исследовано в работах советского физика-теоретика Вадима Березинского в начале семидесятых годов прошлого века.
«Наше исследование выявило важные различия между фазовыми переходами, индуцированными светом и их равновесными аналогами, — рассказывает Нух Гедик. — С помощью сверхбыстрого лазерного импульса мы “расплавляли” волну зарядовой плотности, а дальше замеряли множество параметров за то очень короткое время, пока система возвращалась к исходному состоянию. Таким образом мы обнаружили признаки возникновения топологических дефектов».
Необычное поведение электронов в квантовых материалах, где возникает волна зарядовой плотности, очень интересно как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения.
«Рассчитать это поведение напрямую практически невозможно, особенно при быстром охлаждении, — поясняет Борис Файн. — Поэтому приходится полагаться на тесное взаимодействие с экспериментом. Работа похожа на детективное расследование, в котором нужно принимать в расчет много косвенных улик. “Улики”, представленные в нашей статье, указывают, что топологические дефекты, возникшие в результате лазерного импульса, не позволяют системе быстро вернуться в состояние с однородной волной зарядовой плотности».
По словам Нуха Гедика, сотрудничество со Сколтехом сыграло ключевую роль в установлении физической картины, объясняющей экспериментальные данные, полученные учеными Массачусетского технологического института. Удовлетворение американского коллеги от совместной работы разделяют и российские участники исследования. «Взаимодействие с коллегами из MIT было для меня ценнейшим опытом», — говорит аспирант Сколтеха Павел Долгирев. «Их настойчивые вопросы, основанные на эксперименте, заставили нас переосмыслить каждый аспект нашего теоретического понимания», — добавляет ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук Александр Рожков.
Совместное исследование российских и американских ученых стало возможным благодаря программе Next Generation Program (NGP), которая создана для поддержки сотрудничества Сколтеха и MIT.