과학자들이 먼저 포착한다

이전 이미지 다음 이미지

MIT 교수인 Harold "Doc" Edgerton이 1960년대에 고속 스트로보 플래시 사진을 개발함으로써 우리는 눈으로 보기에는 너무 빠른 속도로 사건(사과를 관통하는 총알, 우유 웅덩이에 떨어지는 물방울)을 시각화할 수 있게 되었습니다.

이제 고급 분광학 도구 모음을 사용하여 MIT와 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 과학자들은 처음으로 평형 우주에서 숨겨진 빛으로 유도된 준안정 단계의 스냅샷을 포착했습니다. 나노 규모의 전자 밀도 변조가 포함된 2D 결정에 단일 샷 분광학 기술을 사용하여 이러한 전환을 실시간으로 볼 수 있었습니다.

"이 연구를 통해 우리는 전자적으로 변조된 결정에서 초단 레이저 펄스에 의해 유도된 숨겨진 양자 위상의 탄생과 진화를 보여주고 있습니다."라고 현재 연구에 대한 논문의 공동 저자인 Frank Gao PhD '22는 말합니다. UT 오스틴의 박사후 연구원.

공동 저자이자 현재 MIT 화학과 대학원생인 Zhuquan Zhang은 "보통 재료에 레이저를 비추는 것은 재료를 가열하는 것과 같지만 이 경우는 그렇지 않다"고 덧붙였습니다. "여기서 결정을 조사하면 전자 질서가 재배열되어 고온 상태와는 완전히 다른 새로운 상태가 생성됩니다."

이 연구에 관한 논문은 오늘 Science Advances에 게재되었습니다. 이 프로젝트는 MIT의 Haslam 및 Dewey 화학 교수인 Keith A. Nelson과 UT-Austin의 물리학 조교수인 Edoardo Baldini가 공동으로 조정했습니다.

레이저 쇼

이러한 준안정 양자상의 기원을 이해하는 것은 비평형 열역학에서 오랫동안 지속되어 온 근본적인 문제를 해결하는 데 중요하다고 Nelson은 말했습니다.

"이 결과의 핵심은 100펨토초의 시간 분해능으로 양자 물질의 비가역적 과정을 '영화'로 만들 수 있는 최첨단 레이저 방법의 개발이었습니다." Baldini를 추가합니다.

이황화탄탈륨이라는 물질은 탄탈륨과 황 원자가 공유 결합되어 느슨하게 쌓여 있는 층으로 구성됩니다. 임계 온도 이하에서는 물질의 원자와 전자가 나노 규모의 "다윗의 별" 구조로 패턴화됩니다. 이는 "전하 밀도 파동"으로 알려진 전자의 색다른 분포입니다.

이 새로운 상의 형성은 물질을 절연체로 만들지만, 단일의 강렬한 광 펄스를 비추면 물질을 준안정한 숨겨진 금속으로 밀어냅니다. "그것은 시간이 멈춰 있는 일시적인 양자 상태입니다."라고 Baldini는 말했습니다. "사람들은 이전에 이 빛에 의해 유도된 숨겨진 단계를 관찰했지만 그 발생 뒤에 있는 초고속 양자 과정은 아직 알려지지 않았습니다."

Nelson은 "핵심 과제 중 하나는 하나의 전자 질서에서 무한정 지속될 수 있는 전자 질서로의 초고속 변환을 관찰하는 것이 기존의 시간 분해 기술로는 실용적이지 않다는 것입니다."라고 덧붙였습니다.

통찰력의 맥박

연구원들은 단일 프로브 레이저 펄스를 별도의 초고속 여기 펄스에 의해 전환이 시작되기 전과 후에 서로 다른 시간에 샘플에 모두 도달하는 수백 개의 개별 프로브 펄스로 분할하는 독특한 방법을 개발했습니다. 샘플에서 반사되거나 샘플을 통해 전송된 후 이러한 각 프로브 펄스의 변화를 측정한 다음 측정 결과를 개별 프레임처럼 연결함으로써 변환이 발생하는 메커니즘에 대한 미세한 통찰력을 제공하는 동영상을 구성할 수 있습니다.

단일 샷 측정에서 이러한 복잡한 위상 변환의 역학을 포착함으로써 저자는 전하 밀도 파동의 용해 및 재정렬이 숨겨진 상태의 형성으로 이어진다는 것을 입증했습니다. Harvard Quantum Institute 박사후 연구원인 Zhiyuan Sun의 이론적 계산이 이 해석을 확인했습니다.

이번 연구는 하나의 특정 물질을 사용하여 수행되었지만, 연구원들은 이제 동일한 방법론을 사용하여 양자 물질의 다른 이국적인 현상을 연구할 수 있다고 말합니다. 이 발견은 주문형 광응답을 갖춘 광전자 장치 개발에도 도움이 될 수 있습니다.