利用激光技術(shù)揭示了量子材料隱藏的特性

某些材料具有被隱藏起來的理想特性，就像用手電筒在黑暗中照明一樣，科學(xué)家可以用光來揭示這些特性。研究人員開發(fā)出一種先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)，利用光來揭示量子材料 Ta2NiSe5 (TNS) 的隱藏特性。通過使用太赫茲時域光譜學(xué)，研究小組觀察到了異常的太赫茲光放大現(xiàn)象，表明存在激子凝聚體。這一發(fā)現(xiàn)為將量子材料用于糾纏光源和量子物理學(xué)的其他應(yīng)用開辟了新的可能性。

加州大學(xué)圣迭戈分校的研究人員利用一種先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)進(jìn)一步了解了一種名為Ta2NiSe5(TNS)的量子材料。他們的研究成果發(fā)表在《自然·材料》(Nature Materials)雜志上。

材料可以通過不同的外部刺激受到擾動，通常是溫度或壓力的變化;然而，由于光是宇宙中速度最快的東西，材料對光刺激的反應(yīng)非?？欤瑥亩沂境鲈倦[藏的特性。

通過改進(jìn)技術(shù)，研究小組獲得了更廣泛的頻率范圍，從而揭示了 TNS 激子凝聚態(tài)的一些隱藏特性。

量子材料中的先進(jìn)光學(xué)技術(shù)

"從本質(zhì)上講，我們用激光照射一種材料，這就像定格攝影，我們可以逐步跟蹤該材料的某種特性，"領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的物理學(xué)教授理查德-阿維特說，他也是論文的作者之一。"通過觀察組成粒子如何在該系統(tǒng)中移動，我們可以找出這些以其他方式很難發(fā)現(xiàn)的特性。"

該實(shí)驗(yàn)由第一作者謝赫-魯巴亞特-烏爾-哈克(Sheikh Rubaiat Ul Haque)完成，他于2023年從加州大學(xué)圣地亞哥分校畢業(yè)，現(xiàn)在是斯坦福大學(xué)的一名博士后學(xué)者。他與阿弗里特實(shí)驗(yàn)室的另一名研究生張遠(yuǎn)一起改進(jìn)了一種名為太赫茲時域光譜學(xué)的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)允許科學(xué)家在一定頻率范圍內(nèi)測量材料的特性，而哈克的改進(jìn)使他們能夠獲得更廣泛的頻率范圍。

量子態(tài)和光放大

這項(xiàng)工作基于論文的另一位作者、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授尤金-德姆勒(Eugene Demler)提出的理論。Demler 和他的研究生馬里奧斯-邁克爾(Marios Michael)提出了這樣一個觀點(diǎn)：當(dāng)某些量子材料被光激發(fā)時，它們可能會變成一種能放大太赫茲頻率光的介質(zhì)。這促使哈克及其同事仔細(xì)研究 TNS 的光學(xué)特性。

當(dāng)電子被光子激發(fā)到更高的層次時，會留下一個空穴。如果電子和空穴結(jié)合在一起，就會產(chǎn)生激子。激子還可能形成凝聚態(tài)--當(dāng)粒子聚集在一起并表現(xiàn)為單一實(shí)體時會出現(xiàn)的一種狀態(tài)。

在 Demler 理論的支持下，利用馬克斯-普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動力學(xué)研究所 Angel Rubio 小組的密度泛函計(jì)算，研究小組得以觀測到反常的太赫茲光放大現(xiàn)象，從而揭示了 TNS 激子凝聚態(tài)的一些隱藏特性。

凝縮物是一種定義明確的量子態(tài)，使用這種光譜技術(shù)可以將它們的某些量子特性印刻到光上。這可能會對利用量子材料的糾纏光源(多個光源具有相互關(guān)聯(lián)的特性)這一新興領(lǐng)域產(chǎn)生影響。

哈克說："我認(rèn)為這是一個廣闊的領(lǐng)域。Demler的理論可以應(yīng)用于一系列具有非線性光學(xué)特性的其他材料。有了這項(xiàng)技術(shù)，我們就能發(fā)現(xiàn)以前從未探索過的新的光誘導(dǎo)現(xiàn)象。"

審核編輯 黃宇