При добавлении энергии, например, нагревание, к любому материалу, почти всегда изменяется фаза вещества, делая его структуру менее упорядоченной. Так, лед с его кристаллической структурой, тает, превращаясь в жидкую воду – бесформенное вещество, без какой-либо структуры.
Но в новых экспериментах ученых из Массачусетского технологического института происходит обратное. Когда структура, называемая волной плотности заряда, в определенном материале подвергается облучению быстрым лазерным импульсом, то создается совершенно новая волна плотности заряда — высокоупорядоченное состояние вместо ожидаемого беспорядка. Удивительная находка может помочь ученым выявить невидимые свойства в материалах всех видов.
Данное открытие опубликовано в журнале Nature Physics, в статье профессоров MIT Нуха Гедика, Пабло Харилло-Эрреро, Аншула Когара, аспиранта Альфреда Зонга и еще 17 ученых MIT, Гарвардского университета, Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Стэнфордского университета и Аргоннской национальной лаборатории.
В экспериментах использовался материал под названием трителлурид лантана, который естественным образом образует слоистую структуру. В этом материале волнообразная структура электронов в областях высокой и низкой плотности формируется спонтанно, но ограничивается одним направлением внутри материала. Но при облучении ультрабыстрым лазерным импульсом — длиной менее пикосекунды или менее одной триллионной доли секунды – эта структура, называемая волной плотности заряда или ВЗП, стирается, и появляется новая под прямым углом к оригиналу.
Новая перпендикулярная ВЗП — это то, что никогда ранее не наблюдалось в этом веществе. Она появляется только после импульса лазера и сразу же исчезает через несколько пикосекунд после его исчезновения. Когда вновьобразованная ВЗП исчезает, то возвращается первоначальная ВЗП, что говорит о том, что ее присутствие каким-то образом было подавлено новой ВЗП.
Гедик объясняет, что в обычных материалах плотность электронов в материале постоянна по всему объему. Но в некоторых веществах, когда они охлаждаются ниже определенной температуры, электроны объединяются в ВЗП с чередующимися областями высокой и низкой электронной плотности. В трителлуриде лантана, или LaTe3, ВЗП проходит вдоль одного фиксированного направления внутри вещества. В двух других измерениях плотность электронов остается постоянной, как в обычных материалах.
Гедик говорит, что перпендикулярная версия ВЗП, которая появляется после вспышки лазерного импульса, никогда ранее не наблюдалась. Она просто кратковременно появляется, а затем исчезает.
Это довольно необычное поведение для большинства случаев, когда вы прикладываете энергию к веществу.
Новая фаза вещества. Суть идеи.
По словам исследователей, идея состоит в том, что две возможные фазы вещества могут находиться в конкуренции между собой. Ситуация, когда доминирующая фаза вещества подавляет одно или несколько альтернативных фаз, довольно распространено в квантовых материалах. Это говорит о том, что могут существовать скрытые состояния, незаметные во многих видах вещества. Альтернативное состояния или фаза вещества могут быть раскрыты, если будет найден способ подавления доминирующего состояния. Это то, что, по-видимому, происходит в результате облучения трителлуриде лантана лазерными импульсами.
Обычно все стабильные материалы находятся в их минимальных энергетических состояниях. Это означает, что из всех возможных конфигураций атомов и молекул вещество приходит в состояние, которое требует наименьших затрат энергии для поддержания себя.
Данный эффект может найти применение в областях, связанных с передачей данных.
Подавление альтернативных ВЗП может выявить совершенно новые свойства веществ, что открывает перед нами много новых областей для исследований.
Гедик добавляет, что обычно, для изменения состояния веществ, используют химическое, механическое воздействие или воздействие магнитным полем. В данном же случае, для того, чтобы произвести изменения используется свет.
Новые результаты могут помочь лучше понять роль фазовой конкуренции в других системах. Что, в свою очередь, может помочь ответить на такие вопросы, как, почему сверхпроводимость возникает в некоторых веществах при относительно высоких температурах, а также может помочь в обнаружении даже более высокотемпературных сверхпроводников.