Tutkia kvanttimateriaalin muutoksia reaaliajassa

Faasimuutokset, joissa materiaalin muodostavat elektronit ja atomit järjestäytyvät yhdessä uuteen olomuotoon, synnyttävät monia kvanttimateriaalien mielenkiintoisia ominaisuuksia.

Niiden tutkiminen voi kuitenkin olla uskomattoman haastavaa. Useimmiten fyysikot ja kemistit tietävät faasimuutoksen tapahtuneen vasta sen jälkeen, kun se on ohi.

UC Berkeleyn tiedemiehet ovat nyt kehittäneet uuden tavan havaita faasimuutoksen alkaminen käyttämällä ultranopeita äärimmäisen ultraviolettivalon (XUV) pulsseja kvanttimateriaalin atomien ja elektronien tarkkailuun juuri ennen sen muuttumista.

Tutkimusryhmä käytti muutaman femtosekunnin XUV-spektroskopiaksi kutsuttua menetelmää saadakseen uutta näyttöä 50 vuotta vanhaan mysteeriin siitä, miten 1T-TiSe2-materiaali muodostaa järjestäytyneen, eksoottisen tilan alle 200 kelvinin lämpötilassa. Tutkimusryhmä arvioi myös, että samaa lähestymistapaa voitaisiin käyttää aiheen muiden siirtymien tutkimiseen tulevaisuudessa.

"Metodologisesta näkökulmasta tämä työ osoittaa laajemman strategian monimutkaisten kvanttimateriaalien tutkimiseksi, joissa elektroniset, rakenteelliset, magneettiset ja muut vapausasteet kehittyvät usein samanaikaisesti", sanoo kemian apulaisprofessori ja uuden tutkimuksen vanhempi kirjoittaja Michael Zuerch

Löydökset myös vahvistavat näkemystä, jonka mukaan elektroni-aukko-vuorovaikutukset ovat aktiivinen osa mekanismia, joka ohjaa siirtymää 1T-TiSe2:ssa. Siten löydetty eksitonisen mekanismin ymmärtäminen voi myös valaista muita samankaltaisia materiaaleja.

"Syy eksitonisten fluktuaatioiden esiintymiseen siirtymälämpötilan yläpuolella 1T-TiSe2:ssa on se, että materiaali on lähes kaksiulotteinen kolmiulotteisen sijaan", sanoi professori Zuerch. "Monet eksitoniset eristemateriaalikandidaatit ovat lähes matalaulotteisia, joten sama XUV-lähestymistapa voisi auttaa tunnistamaan samanlaista eksitonista käyttäytymistä muissa ehdokkaissa ennen kuin ne täysin järjestäytyvät."

Tutkijoiden mukaan myös 1T-TiSe2 -materiaali itsessään on edelleen erittäin mielenkiintoinen aihe. Tulevaisuudessa voitaisiin tutkia eksitonisten korrelaatioiden ja materiaalin matalassa lämpötilassa kehittyvien monimutkaisten järjestysten välistä vuorovaikutusta.

Aiheesta aiemmin: 

Taikakulmagrafeeni kytkee päälle ja pois

Topologisia tiloja hyödyntävä transistori

Tutkijat määrittelevät uuden rajan kvanttimateriaaleissa