Bepaalde materialen hebben wenselijke eigenschappen die verborgen zijn, en net als met een zaklamp in het donker kunnen wetenschappers licht gebruiken om deze eigenschappen te onthullen. Onderzoekers hebben een geavanceerde optische techniek ontwikkeld die licht gebruikt om de verborgen eigenschappen van het kwantummateriaal Ta2NiSe5 (TNS) te onthullen. Door gebruik te maken van terahertz-tijddomeinspectroscopie heeft het team ongebruikelijke terahertz-lichtversterking waargenomen, wat wijst op de aanwezigheid van excitoncondensaten. Deze ontdekking opent nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van kwantummaterialen voor verstrengelde lichtbronnen en andere toepassingen in de kwantumfysica.
Onderzoekers van UC San Diego hebben een geavanceerde optische techniek gebruikt om meer te leren over een kwantummateriaal genaamd Ta2NiSe5 (TNS). Hun onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.
Materialen kunnen worden verstoord door verschillende externe stimuli, meestal veranderingen in temperatuur of druk; Omdat licht echter het snelste ding in het universum is, reageren materialen zeer snel op lichtstimuli, waardoor anders verborgen eigenschappen zichtbaar worden.
Geavanceerde optische technologieën in kwantummaterialen
"In wezen schijnen we met een laser op een materiaal, wat lijkt op stop-motionfotografie, en kunnen we een bepaalde eigenschap van het materiaal stap voor stap volgen", zegt Richard Avitt, een professor in de natuurkunde die de studie leidde en een van de auteurs van het artikel was. "Door te observeren hoe de samenstellende deeltjes door dit systeem bewegen, kunnen we deze eigenschappen identificeren die anders moeilijk te detecteren zouden zijn."
Het experiment werd uitgevoerd door eerste auteur Sheikh Rubaiat Ul Haque, die in 2023 afstudeerde aan UC San Diego en nu postdoctoraal onderzoeker is aan Stanford University. Samen met Yuan Zhang, een andere afgestudeerde student in het Everett-lab, verfijnde hij een techniek genaamd terahertz-tijddomeinspectroscopie. Met deze techniek kunnen wetenschappers de eigenschappen van materialen binnen een bepaald frequentiebereik meten, en dankzij de verbeteringen van Haack hebben ze toegang tot een groter frequentiebereik.
Kwantumtoestanden en lichtversterking
Het werk is gebaseerd op een theorie die naar voren is gebracht door een andere auteur van het artikel, Eugene Demler, een professor aan de ETH Zürich. Demler en zijn afgestudeerde student Marios Michael stelden het idee voor dat wanneer bepaalde kwantummaterialen door licht worden opgewonden, ze een medium kunnen worden dat licht versterkt op terahertz-frequenties. Dit was voor Haack en collega’s aanleiding om de optische eigenschappen van TNS nader te bekijken.
Wanneer een elektron door een foton naar een hoger niveau wordt geëxciteerd, blijft er een gat achter. Als elektronen en gaten samenkomen, worden excitonen geproduceerd. Excitonen kunnen ook condensaten vormen - een toestand die optreedt wanneer deeltjes samenkomen en zich als één geheel gedragen.
Met de steun van de theorie van Demler en met behulp van dichtheidsfunctionele berekeningen door de groep van Angel Rubio aan het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamica van Materie, kon het onderzoeksteam het abnormale terahertz-lichtversterkingsfenomeen observeren, waardoor enkele verborgen eigenschappen van de TNS-exciton gecondenseerde toestand aan het licht kwamen.
Condensaten zijn goed gedefinieerde kwantumtoestanden en sommige van hun kwantumeigenschappen kunnen met behulp van deze spectroscopische techniek op licht worden afgedrukt. Dit zou gevolgen kunnen hebben voor het opkomende veld van verstrengelde lichtbronnen (meerdere lichtbronnen met onderling verbonden eigenschappen) die kwantummaterialen exploiteren.
"Ik denk dat dit een breed terrein is," zei Haack. "Demler's theorie kan worden toegepast op een reeks andere materialen met niet-lineaire optische eigenschappen. Met deze technologie kunnen we nieuwe, door licht geïnduceerde verschijnselen ontdekken die nog nooit eerder zijn onderzocht."
Samengestelde bron: ScitechDaily