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，科學家可以用光來揭示這些特性。研究人員開發(fā)出一種先進的光學技術(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，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的其他應用開辟了新的可能性。

加州大學圣迭戈分校的研究人員利用一種先進的光學技術(shù)進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非?？?，從而揭示出原本隱藏的特性。

通過改進技術(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。

量子材料中的先進光學技術(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)導這項研究的物理學教授理查德-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。"

該實驗由第一作者謝赫-魯巴亞特-烏爾-哈克(Sheikh Rubaiat Ul Haque)完成，他于2023年從加州大學圣地亞哥分校畢業(yè)，現(xiàn)在是斯坦福大學的一名博士后學者。他與阿弗里特實驗室的另一名研究生張遠一起改進了一種名為太赫茲時域光譜學的技術(shù)。這項技術(shù)允許科學家在一定頻率范圍內(nèi)測量材料的特性，而哈克的改進使他們能夠獲得更廣泛的頻率范圍。

量子態(tài)和光放大

這項工作基于論文的另一位作者、蘇黎世聯(lián)邦理工學院教授尤金-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：當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研究 TNS 的光學特性。

當電子被光子激發(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)--當粒子聚集在一起并表現(xiàn)為單一實體時會出現(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)與動力學研究所 Angel Rubio 小組的密度泛函計算，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："我認為這是一個廣闊的領(lǐng)域。Demler的理論可以應用于一系列具有非線性光學特性的其他材料。有了這項技術(shù)，我們就能發(fā)現(xiàn)以前從未探索過的新的光誘導現(xiàn)象。"

審核編輯 黃宇