Alcuni materiali hanno proprietà desiderabili che sono nascoste e, proprio come utilizzeresti una torcia per vedere al buio, gli scienziati possono usare la luce per scoprire queste proprietà.
I ricercatori dell'Università della California a San Diego hanno utilizzato una tecnica ottica avanzata per saperne di più su un materiale quantistico chiamato Ta2 NiSe5 (TNS). Il loro lavoro appare in Nature Materials .
I materiali possono essere perturbati attraverso diversi stimoli esterni, spesso con cambiamenti di temperatura o pressione; tuttavia, poiché la luce è la cosa più veloce nell'universo, i materiali risponderanno molto rapidamente agli stimoli ottici, rivelando proprietà che altrimenti rimarrebbero nascoste.
"In sostanza, puntiamo un laser su un materiale ed è come una fotografia stop-action in cui possiamo seguire in modo incrementale una certa proprietà di quel materiale", ha affermato il professore di fisica Richard Averitt, che ha guidato la ricerca ed è uno degli autori dell'articolo. "Osservando il modo in cui le particelle costituenti si muovono in quel sistema, possiamo individuare queste proprietà che sarebbero davvero difficili da trovare altrimenti."
L’esperimento è stato condotto dall’autore principale Sheikh Rubaiat Ul Haque, laureato alla UC San Diego nel 2023 e ora ricercatore post-dottorato presso l’Università di Stanford. Lui, insieme a Yuan Zhang, un altro studente laureato nel laboratorio di Averitt, ha migliorato una tecnica chiamata spettroscopia nel dominio del tempo terahertz. Questa tecnica consente agli scienziati di misurare le proprietà di un materiale su una gamma di frequenze e i miglioramenti di Haque hanno consentito loro di accedere a una gamma di frequenze più ampia.
Il lavoro si basava su una teoria elaborata da un altro degli autori dell'articolo, Eugene Demler, professore all'ETH di Zurigo. Demler e il suo studente laureato Marios Michael hanno sviluppato l'idea che quando alcuni materiali quantistici vengono eccitati dalla luce, possono trasformarsi in un mezzo che amplifica la luce con frequenza terahertz. Ciò ha portato Haque e colleghi a esaminare da vicino le proprietà ottiche del TNS.
Quando un elettrone viene eccitato ad un livello superiore da un fotone, lascia dietro di sé un buco. Se l'elettrone e la lacuna sono legati, si crea un eccitone. Gli eccitoni possono anche formare un condensato, uno stato che si verifica quando le particelle si uniscono e si comportano come un'unica entità.
Usando la tecnica di Haque, supportata dalla teoria di Demler e utilizzando i calcoli del funzionale di densità del gruppo di Angel Rubio presso l'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia, il team è stato in grado di osservare un'anomala amplificazione della luce terahertz, che ha scoperto alcune delle proprietà nascoste della materia. Condensato di eccitoni TNS.
I condensati sono uno stato quantistico ben definito e l’utilizzo di questa tecnica spettroscopica potrebbe consentire di imprimere nella luce alcune delle loro proprietà quantistiche. Ciò potrebbe avere implicazioni nel campo emergente delle sorgenti luminose entangled (dove più sorgenti luminose hanno proprietà interconnesse) che utilizzano materiali quantistici.
"Penso che sia un'area molto aperta", ha affermato Haque. "La teoria di Demler può essere applicata a una serie di altri materiali con proprietà ottiche non lineari. Con questa tecnica possiamo scoprire nuovi fenomeni indotti dalla luce che non sono mai stati esplorati prima."
Ulteriori informazioni: Sheikh Rubaiat Ul Haque et al, amplificazione parametrica Terahertz come reporter della dinamica del condensato di eccitoni, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01755-2
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dall'Università della California - San Diego
