Tre impulsi di eccitazione con vettori d'onda k1, k2, e k3 formano tre angoli di una scatola con 4° impulso (oscillazione locale; LO) sul quarto angolo. Credito:FLEET
Ultra veloce, la spettroscopia multidimensionale sblocca gli effetti su scala macroscopica delle correlazioni elettroniche quantistiche.
I ricercatori del centro di ricerca FLEET hanno scoperto che gli stati a bassa e alta energia sono correlati in modo stratificato, materiale superconduttore LSCO (lantanio, stronzio, rame, ossigeno).
Eccitare il materiale con un ultraveloce ( <100fs), raggio di luce nel vicino infrarosso produce eccitazioni coerenti che durano un tempo sorprendentemente "lungo" di circa 500 femtosecondi, originato da una sovrapposizione quantistica di stati eccitati all'interno del cristallo.
La forte correlazione tra l'energia di questa coerenza e l'energia ottica del segnale emesso indica un'interazione coerente tra gli stati a bassa ed alta energia.
Questo tipo di interazione coerente, riportato qui per la prima volta, è la radice di molti fenomeni intriganti e poco compresi visualizzati dai materiali quantistici.
È una delle prime applicazioni della spettroscopia multidimensionale allo studio di sistemi di elettroni correlati come i superconduttori ad alta temperatura.
Sondare materiali quantistici
Le intriganti proprietà magnetiche ed elettroniche dei materiali quantistici rappresentano una promessa significativa per le tecnologie future.
Però, il controllo di queste proprietà richiede una migliore comprensione dei modi in cui il comportamento macroscopico emerge in materiali complessi con forti correlazioni elettroniche.
A/Prof Jeff Davis (Swinburne University of Technology) Credito:FLEET
Le proprietà elettriche e magnetiche potenzialmente utili dei materiali quantistici con forti correlazioni elettroniche includono:transizione di Mott, magnetoresistenza colossale, isolanti topologici, e superconduttività ad alta temperatura.
Tali proprietà macroscopiche emergono dalla complessità microscopica, radicata nelle interazioni concorrenti tra i gradi di libertà (carica, reticolo, rotazione, orbitale, e topologia) degli stati elettronici.
Mentre le misurazioni della dinamica delle popolazioni elettroniche eccitate sono state in grado di fornire alcune informazioni, hanno ampiamente trascurato l'intricata dinamica della coerenza quantistica.
In questo nuovo studio, i ricercatori hanno applicato per la prima volta la spettroscopia coerente multidimensionale alla sfida, utilizzando la capacità unica della tecnica di differenziare tra percorsi di segnale concorrenti, eccitazioni a bassa energia selettivamente eccitanti e sondanti.
I ricercatori hanno analizzato la coerenza quantistica delle eccitazioni prodotte colpendo LSCO (lantanio, stronzio, rame e ossigeno) cristalli con una sequenza di su misura, fasci ultraveloci di luce nel vicino infrarosso di durata inferiore a 100 femtosecondi
Questa coerenza ha proprietà insolite, dura un tempo sorprendentemente "lungo" di circa 500 femtosecondi, e origina da una sovrapposizione quantistica di stati eccitati all'interno del cristallo.
Spettro 2-D che mostra la differenza di energia tra gli stati nella sovrapposizione quantistica, mostrato prima, durante e dopo la sovrapposizione degli impulsi
"Abbiamo trovato una forte correlazione tra l'energia di questa coerenza e l'energia ottica del segnale emesso, che indica una speciale interazione coerente tra gli stati a bassa e alta energia in questi sistemi complessi, ", afferma l'autore dello studio Jeff Davis (Swinburne University of Technology).
Poiché il numero di eccitazioni disponibili influisce sulla struttura a bande di un cristallo, la struttura energetica effettiva cambia transitoriamente durante la misurazione, che collega eccitazioni a bassa energia e stati elettronici eccitati otticamente.
Spettro 2D che mostra la differenza di energia tra gli stati nella sovrapposizione quantistica, mostrato prima, durante e dopo la sovrapposizione degli impulsi Credito:FLEET
Lo studio dimostra che la spettroscopia coerente multidimensionale può interrogare materiali quantistici complessi in modi senza precedenti.
Oltre a rappresentare un importante progresso nella spettroscopia ultraveloce di materiali correlati, il lavoro ha un significato più ampio in ottica/fotonica, chimica, nanoscienza, e la scienza della materia condensata.
"Coerenza persistente delle sovrapposizioni quantistiche in un cuprato drogato in modo ottimale rivelato dalla spettroscopia 2-D" è stato pubblicato in Progressi scientifici nel febbraio 2020.
