科学者が最初に捕獲する

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1960 年代に MIT 教授の故ハロルド "ドク" エジャートンが高速ストロボ フラッシュ写真を開発したことにより、リンゴを貫通する弾丸や牛乳のプールに落ちる水滴など、目には速すぎる出来事を視覚化できるようになりました。

今回、一連の高度な分光ツールを使用することにより、MIT とテキサス大学オースティン校の科学者たちは、平衡宇宙から隠された光誘起準安定相のスナップショットを初めて捕捉しました。 電子密度をナノスケールで変調した 2D 結晶上でシングルショット分光法を使用することで、この遷移をリアルタイムで観察することができました。

「この研究により、私たちは電子的に変調された結晶内の超短レーザーパルスによって誘起される隠れた量子相の誕生と進化を示しています」と、この研究に関する論文の共同筆頭著者であり、現在執筆中のフランク・ガオ博士'22は述べている。 UTオースティン校の博士研究員。

「通常、材料にレーザーを当てることは材料を加熱することと同じですが、この場合は違います」と共同筆頭著者で現在 MIT の化学大学院生である Zhuquan Zhang 氏は付け加えます。 「ここでは、結晶への照射により電子秩序が再配置され、高温状態とは異なるまったく新しい相が生成されます。」

この研究に関する論文は本日、Science Advances に掲載されました。 このプロジェクトは、マサチューセッツ工科大学のハスラム・アンド・デューイ化学教授であるキース・A・ネルソン氏と、テキサス大学オースティン校の物理学助教授であるエドアルド・バルディーニ氏が共同でコーディネートしました。

レーザーショー

「このような準安定量子相の起源を理解することは、非平衡熱力学における長年の基本的な疑問に対処するために重要です」とネルソン氏は言う。

「この結果の鍵となったのは、100フェムト秒の時間分解能で量子材料の不可逆プロセスを『映画化』できる最先端のレーザー法の開発でした。」 バルディーニ氏は付け加えた。

この材料である二硫化タンタルは、共有結合したタンタル原子と硫黄原子が緩やかに積み重なった層で構成されています。 臨界温度以下では、材料の原子と電子がナノスケールの「ダビデの星」構造、つまり「電荷密度波」として知られる型破りな電子分布を形成します。

この新しい相の形成により材料は絶縁体になりますが、単一の強力な光パルスを照射すると、材料は準安定の隠れた金属に押し込まれます。 「それは時間が凍結された一時的な量子状態です」とバルディーニ氏は言う。 「人々はこれまでにこの光誘起の隠れ相を観察していましたが、その発生の背後にある超高速量子プロセスはまだ知られていませんでした。」

ネルソン氏は、「重要な課題の 1 つは、1 つの電子注文から無期限に存続する可能性のある電子注文への超高速変換を観察することは、従来の時間分解技術では現実的ではないことです。」と付け加えます。

洞察力のパルス

研究者らは、単一のプローブレーザーパルスを数百の異なるプローブパルスに分割し、個別の超高速励起パルスによってスイッチングが開始される前後の異なる時間にサンプルにすべて到達するという独自の方法を開発しました。 これらのプローブパルスがサンプルから反射または透過した後の各プローブパルスの変化を測定し、測定結果を個々のフレームのようにつなぎ合わせることで、変化が起こるメカニズムについて微視的な洞察を提供するムービーを構築できます。

著者らは、この複雑な相変態のダイナミクスをシングルショット測定で捉えることにより、電荷密度波の融解と再配列が隠れ状態の形成につながることを実証しました。 ハーバード大学量子研究所の博士研究員である Zhiyuan Sun による理論計算により、この解釈が裏付けられました。

この研究は1つの特定の材料を用いて実施されたが、研究者らは同じ方法論を量子材料における他のエキゾチックな現象の研究にも使用できると述べている。 この発見は、オンデマンドの光応答を備えた光電子デバイスの開発にも役立つ可能性があります。

この論文の他の著者は、化学大学院生のジャック・リュー氏、物理学専攻MRL三井キャリア開発准教授のジョセフ・G・チェケルスキー氏、 リンダ・イェ博士、2020 年、現在はスタンフォード大学の博士研究員。 そして、Yu-Hsiang Cheng PhD '19、現在は国立台湾大学の助教授です。

この研究に対する支援は、米国エネルギー省基礎エネルギー科学局によって提供されました。 ゴードン＆ベティ・ムーア財団 EPiQS イニシアチブ。 ロバート・A・ウェルチ財団。

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