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研究采用太赫兹激光脉冲,一览原子级模型的超快耦合
发布时间:2018-02-26 10:02:59 阅读:467

来源:phys.org; 中国太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

图片演示了超短激光照射镧锶氧化镍晶体,引发原子级条纹融化。当晶体畸变只随时间延迟而发生变化时,电荷(黄色)迅速变成可移动,展示了下层的相互作用。
图片来源:Robert Kaindl/Berkeley实验室

    条纹无处不在,从野外漫步的斑马到最新最眩的时装。在微观物理的世界,在所谓的量子材料中,电子也可以形成周期性条纹图案。美国能源部Lawrence Berkeley国家实验室(Berkeley实验室)的科学家们就洞悉了原子级条纹融化与形成的有趣动力学。

    在密切关联的量子材料中,电子间相互作用至关重要。电子间复式耦合—电子自旋和晶体振动—会导致特殊相位,例如电荷排序或高温超导。

    “凝聚态物理学的重要目的就是研究形成复杂相位的力量以及它们之间的转换。” Berkeley实验室材料科学部首席研究研究员Robert Kaindl表示。“但是在微观世界中,相互作用通常都超级快。如我们只是缓慢加热或冷却物质以改变其相位,我们就不会知道其潜在的作用。”

    Kaindl与同事们采用超快激光脉冲来甄别区分相关量子材料的微观动力学,以获取电子间相互作用,以及时域中晶体的原子晶格。此次研究中,研究人员采用的材料是镍酸镧,这是一种量子材料,是模型条纹化合物。特别值得一提的是,研究人员对电荷如何形成条纹化合物,如何耦合成晶格进行翔实的研究。他们表示,电荷如何与晶体互动是理解条纹物理的重要构成。

Robert Kaindl (左) 与同事 Giacomo Coslovich在实验室。该试验装置可以在近红外和太赫兹光谱区域生成超短光脉冲。
图片来源:Lingkun Zeng /Berkeley实验室

    “晶格在电荷条纹周围出现强烈扭曲,” Giacomo Coslovich表示,他曾是Berkeley实验室博士后研究员。“晶体对称性的改变会导致新的晶格振动,当然我们也可以在太赫兹频段通过管线进行探测。”

    他们的实验结果发表在了《先进科学》杂志上,Kaindl与Coslovich是本次论文的通信作者。

    在他们的实验中,经过持续时间为50飞秒的近红外激光脉冲,材料得以光学激活,并通过可变时间延迟的太赫兹脉冲进行探测。一飞秒等于十亿分之一秒的一百万分之一秒。

    当采用激光破坏微观秩序时,研究人员们发现了意想不到的动力变化。“有趣的现象是当激光立即激活电子时,晶体中振动畸变最初仍然保持不变,” Coslovich谈到。目前Coslovich是斯坦福大学直线加速国家 实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的助理科学家。“只有在几百到几千飞秒后,条纹相位振动才会消失。我们也得出结论,变化的速度取决于相互作用的方向。”

    北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)的Alexander Kemper所进行的声子色散模拟同样也对实验进行了解释和支撑。

    实验结果对相互作用,或者“粘合”作用,即在镍酸镧中电子耦合晶格振动进行了深入调查。但是,它们更广泛的相关性源于最近对高温超导体电荷顺序的观察——超导材料中,当温度高于液氮的沸点,电流没有任何电阻。但是其机制仍令人费解,最近的研究表明,可以采用短光脉冲抑制条纹来诱导超电导率的能力。

    “波动条纹被认为是在非传统超导体中出现的。我们的试验对模式变化的快慢设定了限速,” Kaindl补充到,“它强调了考虑“粘合”的空间与时间结构的重要性。”

 
 

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