Oscillazione in modalità di ampiezza a impulsi Terahertz dell'ordine delle onde di densità di carica nel dichalcogenuro di metallo di transizione con un reticolo a nido d'ape, 3R-TaSe2, che provoca l'emergere di uno stato isolante nascosto. Credito:Yoshikawa et al.
Negli ultimi anni, fisici e ingegneri elettronici hanno cercato di ideare strategie per controllare o produrre stati quantistici della materia in diversi materiali. Tali strategie potrebbero in definitiva rivelarsi preziose per lo sviluppo di nuovi dispositivi tecnologici.
I ricercatori dell'Università di Tokyo e dell'UMR 7162 CNRS Universitè Paris hanno recentemente introdotto un nuovo approccio per ottenere la commutazione ultraveloce dei materiali in uno stato metastabile simile all'isolamento. La loro strategia, introdotto in un articolo pubblicato in Fisica della natura , si basa sull'eccitazione diretta della modalità di ampiezza di un'onda di densità di carica (cioè, ampiezza) attraverso l'applicazione di un intenso impulso terahertz.
"Il nostro interesse principale è controllare gli stati quantistici della materia con la luce in modo ultraveloce evitando l'effetto di riscaldamento". Ryo Shimano, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Nei materiali elettronici correlati, molteplici fasi quantistiche inclusa la superconduttività, le onde di densità e gli ordini magnetici appaiono uno accanto all'altro nel loro diagramma di fase. Stiamo studiando il potenziale della luce come manopola di sintonizzazione per queste fasi quantistiche".
Nel 2013, Shimano e i suoi colleghi sono riusciti a osservare un'oscillazione nel dominio del tempo del parametro d'ordine in un superconduttore, denominata modalità di Higgs, che è una controparte superconduttiva del "bosone di Higgs" nella fisica delle particelle, scoperto al CERN nel 2012. Nel 2014, hanno poi scoperto che la modalità di Higgs nei superconduttori può essere direttamente eccitata dalla luce terahertz (THz), attraverso l'accoppiamento non lineare tra la modalità di Higgs e il campo elettromagnetico. Il recente studio dei ricercatori è stato ispirato da questa osservazione della cosiddetta modalità Higgs nei superconduttori.
"La domanda alla base del nostro studio era:possiamo aspettarci una transizione di fase quando guidiamo il parametro dell'ordine stesso con un'ampiezza sufficientemente grande?" Shimano ha detto. "La transizione di fase attraverso un controllo così diretto del parametro dell'ordine è concettualmente nuova e intrigante".
Come parte del loro recente studio, Shimano e i suoi colleghi hanno esaminato specificamente 3R-TaSe 2 , un materiale bidimensionale (2D) in cui l'ordine dell'onda di densità di carica (CDW) e la superconduttività compaiono a basse temperature. Nei loro esperimenti, hanno provato a guidare direttamente il parametro d'ordine del CDW, senza iniettare l'energia in eccesso nel sistema eccitando la cosiddetta modalità di ampiezza (cioè, un'oscillazione di ampiezza dell'ordine CDW che è accoppiata a un fonone), che esiste nella gamma di frequenze THz.
"Abbiamo adottato la tecnica sviluppata piuttosto di recente di un'intensa generazione di impulsi THz e spettroscopia THz risolta nel tempo, " ha detto Shimano. "In primo luogo, siamo riusciti a pilotare la modalità di ampiezza CDW attraverso il processo di eccitazione a due fotoni dell'impulso THz irradiato. Prossimo, abbiamo monitorato la dinamica ultraveloce dello stato elettronico con una risoluzione temporale inferiore al picosecondo utilizzando l'impulso della sonda THz che è sensibile alla risposta dei portatori di carica".
inaspettatamente, Shimano ei suoi colleghi hanno scoperto che è stata indotta una struttura di gap nello spettro di conducibilità ottica nella gamma di frequenza THz. Questa osservazione suggerisce che lo stato inizialmente metallico del materiale è stato parzialmente convertito in uno stato isolante circa 1 picosecondo dopo la sua eccitazione.
"Generalmente, l'irradiazione della luce sui materiali tende a indurre la metallicità poiché gli elettroni acquisiscono energia cinetica e diventano più mobili, Shimano ha detto. "Il caso in questione è opposto a questa tendenza comune:una parte degli elettroni si congela all'eccitazione dei THz. Poiché l'amplitudone è un modo accoppiato di elettrone e fonone, l'intenso impulso THz dovrebbe modulare la configurazione del reticolo attraverso la guida dell'ampiezza."
Sulla base dei risultati raccolti nei loro esperimenti, Shimano e i suoi colleghi hanno dedotto che un'oscillazione di grande ampiezza del fonone si traduce in uno spostamento medio del reticolo del materiale, a causa della non linearità dei fononi. Questo processo assomiglia all'effetto di rettifica che avviene in un circuito elettrico.
La modulazione ultraveloce del 3R-TaSe 2 la configurazione reticolare potrebbe svolgere un ruolo chiave nel consentire lo stato nascosto simile all'isolamento che questo team di ricercatori ha osservato nel sistema CDW che hanno esaminato. Nel futuro, vorrebbero definire la natura di questo stato isolante, per comprendere meglio le loro osservazioni. Inoltre, hanno in programma di esplorare ulteriormente l'interazione tra l'ordine CDW e la superconduttività, utilizzando metodi sperimentali simili.
"Più generalmente, il nostro lavoro apre un nuovo percorso per la transizione di fase indotta dalla luce in modo "freddo" evitando l'iniezione di energia in eccesso nel sistema elettronico, " ha detto Shimano. "Stiamo progettando di utilizzare questo nuovo tipo di manopola di sintonia per il controllo delle fasi quantistiche, con l'obiettivo di rivelare il panorama inesplorato dei materiali quantistici".
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