Cientistas capturam primeiro

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O desenvolvimento da fotografia com flash estroboscópico de alta velocidade na década de 1960 pelo falecido professor do MIT Harold "Doc" Edgerton nos permitiu visualizar eventos rápidos demais para o olho - uma bala perfurando uma maçã ou uma gota atingindo uma poça de leite.

Agora, usando um conjunto de ferramentas espectroscópicas avançadas, cientistas do MIT e da Universidade do Texas em Austin capturaram pela primeira vez instantâneos de uma fase metaestável induzida por luz escondida do universo em equilíbrio. Usando técnicas de espectroscopia de disparo único em um cristal 2D com modulações em nanoescala de densidade eletrônica, eles conseguiram visualizar essa transição em tempo real.

"Com este trabalho, estamos mostrando o nascimento e a evolução de uma fase quântica oculta induzida por um pulso de laser ultracurto em um cristal modulado eletronicamente", diz Frank Gao PhD '22, co-autor principal de um artigo sobre o trabalho que está atualmente um pós-doutorado na UT Austin.

"Normalmente, brilhar lasers em materiais é o mesmo que aquecê-los, mas não neste caso", acrescenta Zhuquan Zhang, co-autor principal e atual estudante de pós-graduação em química do MIT. "Aqui, a irradiação do cristal reorganiza a ordem eletrônica, criando uma fase totalmente nova, diferente da de alta temperatura."

Um artigo sobre esta pesquisa foi publicado hoje na Science Advances. O projeto foi coordenado conjuntamente por Keith A. Nelson, professor de química Haslam e Dewey no MIT, e por Edoardo Baldini, professor assistente de física na UT-Austin.

shows de laser

“Entender a origem de tais fases quânticas metaestáveis ​​é importante para abordar questões fundamentais de longa data na termodinâmica de não-equilíbrio”, diz Nelson.

"A chave para este resultado foi o desenvolvimento de um método a laser de última geração que pode 'fazer filmes' de processos irreversíveis em materiais quânticos com uma resolução de tempo de 100 femtossegundos." acrescenta Baldini.

O material, dissulfeto de tântalo, consiste em camadas ligadas covalentemente de tântalo e átomos de enxofre empilhados frouxamente uns sobre os outros. Abaixo de uma temperatura crítica, os átomos e elétrons do padrão de material em nanoescala estruturas "Estrela de David" - uma distribuição não convencional de elétrons conhecida como "onda de densidade de carga".

A formação dessa nova fase torna o material um isolante, mas o brilho de um único e intenso pulso de luz empurra o material para um metal oculto metaestável. "É um estado quântico transitório congelado no tempo", diz Baldini. “As pessoas já observaram essa fase oculta induzida pela luz antes, mas os processos quânticos ultrarrápidos por trás de sua gênese ainda eram desconhecidos”.

Nelson acrescenta: "Um dos principais desafios é que observar uma transformação ultrarrápida de uma ordem eletrônica para outra que pode persistir indefinidamente não é prático com técnicas convencionais de resolução de tempo".

Pulsos de insight

Os pesquisadores desenvolveram um método único que envolvia a divisão de um único pulso de laser de sonda em várias centenas de pulsos de sonda distintos que chegavam à amostra em momentos diferentes antes e depois que a troca era iniciada por um pulso de excitação ultrarrápido separado. Medindo as mudanças em cada um desses pulsos de sonda depois que eles foram refletidos ou transmitidos pela amostra e, em seguida, agrupando os resultados da medição como quadros individuais, eles poderiam construir um filme que fornece informações microscópicas sobre os mecanismos pelos quais as transformações ocorrem.

Ao capturar a dinâmica dessa complexa transformação de fase em uma medição única, os autores demonstraram que a fusão e o reordenamento da onda de densidade de carga levam à formação do estado oculto. Cálculos teóricos de Zhiyuan Sun, um pós-doutorando do Harvard Quantum Institute, confirmaram essa interpretação.

Embora este estudo tenha sido realizado com um material específico, os pesquisadores dizem que a mesma metodologia pode agora ser usada para estudar outros fenômenos exóticos em materiais quânticos. Essa descoberta também pode ajudar no desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos com fotorrespostas sob demanda.