פעימות לייזר מהירות במיוחד חושפות חומרים קוונטיים ומוליכות-על

שימוש חדשני בפולסי לייזר מתוזמנים על ידי חוקרי JILA ו-CU Boulder מספק תובנות חדשות לגבי התנהגות חומר קוונטי, המסייע בחקירת מנגנוני מוליכות-על.

כדי להנדס חומרים בעלי תכונות ייחודיות, כמו מוליכות-על, מדענים צוללים לתוך האינטראקציות הקוונטיות בין אלקטרונים וחלקיקי רטט הנקראים פונונים. כאשר אלקטרונים ופונונים מקיימים אינטראקציה חזקה, הם מתנהגים כחלקיקים "מעין", לא כחלקיקים בודדים מבודדים. אינטראקציות אלו מתרחשות בטווחי זמן קצרים ביותר: אלקטרונים מקיימים אינטראקציה זה עם זה תוך פמט-שניות (10^-15 שניות) או אפילו מהר יותר, בעוד שפונונים מגיבים לאט יותר, תוך מאות פמטו-שניות, מכיוון שהאטומים הכבדים יותר נעים לאט יותר מאלקטרונים.

כדי לחקור את האינטראקציות הללו, מדענים משנים לעתים קרובות את הטמפרטורה, הלחץ או ההרכב הכימי של חומר ומודדים את התכונות החשמליות שלו כדי ללמוד על האינטראקציות. עם זאת, חומרים המארחים אינטראקציות שונות יכולים להפגין תכונות דומות מאוד, מה שהופך את זה למאתגר לאתר את האופי המדויק של אינטראקציות אלה.

כדי להתגבר על בעיה זו, סטודנט לתואר שני JILA Yingchao Zhang, בעבודה עם עמיתי JILA הנרי קפטיין ומרגרט מורנה והפרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת קולורדו בולדר, Rahul Nandkishore, השתמש בשיטה חדשה וחזקה כדי לזהות במדויק אינטראקציות פונון בתוך חומרים קוונטיים, שתוצאותיה פורסמו ביומן אותיות ננו. באמצעות פעימות לייזר אולטרה-מדוייקות, מתוזמנות ופעימות אולטרה-סגול קיצוניות, הם מדדו את זמני התגובה וראו בדיוק כיצד האלקטרונים והפונונים מתקשרים ביניהם. שיטה זו סוללת את הדרך לשליטה ומניפולציה טובה יותר של חומרים קוונטיים.

פירוק חומרים קוונטיים חד-ממדיים

במחקר חדש זה, החוקרים השוו את האופן שבו האלקטרונים בשני חומרים שונים הגיבו לאחר שהם הופרעו בעדינות מאור: (TaSe4)2I ו-Rb0.3MoO3, הידוע גם בשם ברונזה כחולה רובידיום. חומרים אלו הם חד מימדיים (1D) מכיוון שכפי שמוצג באיור המקביל, יש להם קשרים חזקים לאורך כיוון אחד, עם קשרים חלשים יותר בכיוון מאונך. זה מאלץ את האלקטרונים ואת הפונונים לקיים אינטראקציה חזקה זה עם זה, מה שהופך את תכונות החומרים הללו לתלויות מאוד בתופעות קוונטיות.
מבחינה היסטורית, שני החומרים נחשבו כבעלי מרווח בידוד קטן שנוצר על ידי הצימוד בין אלקטרונים לפונונים, הנקרא פולרון. הפער המבודד הזה יכול ליצור בעיות כאשר מנסים להבין את האינטראקציות הקוונטיות בתוך פולארונים, מכיוון שזה הופך להיות מאתגר לעורר כל אינטראקציה בתוך החומר.

עם זאת, מחקר שנערך לאחרונה מאוניברסיטת סטנפורד, שנעשה במקביל לעבודה ניסיוני זו, מצביע על כך שהפער המבודד בחומרים מסוימים יכול להיווצר במקום זאת על ידי פולארונים המקיימים אינטראקציה כדי לייצר דו-קוטביים (או זוגות פולארונים). מכיוון שדו-קוטביים קטנים חולקים תכונות דומות לבוזונים, חלקיק בסיסי, כמה מומחים העלו תיאוריה שדו-קוטביים יכולים ליצור סוג של Bose-Einstein-Condensate (BEC), שיכול להיות מנגנון למוליכות-על בחומר.

חוקרי JILA ו-CU Boulder הצביעו על כך שניתן להסביר את הניסוי שלהם באופן טבעי בתרחיש דו-קוטבי זה, מה שמצביע על כך שהחומר (TaSe4)2I הוא מבודד דו-קוטבי. "זו דוגמה מצוינת לאופן שבו תיאוריה וניסוי, בעבודה ביחד, יכולים להוביל לתובנות חדשות", הסביר ננדקישור.

מעבר לזמני הרפיה חומריים

לשם כך, הצוות השתמש בפולסי לייזר מהירים במיוחד כדי לעורר בעדינות מספר אלקטרונים בתוך שני החומרים. לאחר מכן, נעשה שימוש בפולס UV קיצוני מהיר במיוחד, באורך גל קצר פי עשרה מהאור הנראה, כדי לראות בדיוק היכן נרגשים האלקטרונים באנרגיה ובמיקום. על ידי מעקב אחר האנרגיה והמיקום של האלקטרונים הנרגשים, החוקרים יכלו לראות את החתימות של דו-קוטביות נמסות לפולארונים בודדים ב-(TaSe4)2I.

מעבר להבנה אילו אינטראקציות גורמות לפער הבידוד, החוקרים גם צפו בזמני הרפיה שונים בשני החומרים שלהם. זמן הרפיה, או הזמן הדרוש לחומר להתאושש מלחץ, חום או אור, משתנה בהתאם לאינטראקציות הקוונטיות בתוך החומר.

ב-(TaSe4)2I, האטומים בסריג צריכים להתארגן מחדש כאשר דו-קוטביים נמסים לפולארונים בודדים. תהליך זה אורך כ-250 פמט-שניות, ולאחר מכן הרפיה איטית למצב הקרקע הביפולרון תוך 1500 פמט-שניות, כפי שמוצג באיור המקביל.

"היכולת לראות את מיקומם של אלקטרונים נרגשים, ולמדוד את זמני ההרפיה שלהם, מספקות תובנות חדשות לגבי האינטראקציות המיקרוסקופיות בחומרים אלו, בלתי נגישות לטכניקות ניסוי מסורתיות", הוסיף ננדקישור.

לעומת זאת, האלקטרונים ב-Rb0.3MoO3 הגיבו ונרגעו פי עשרה מהר יותר בתגובה לאור (בערך 60 פמט-שניות), מה שמראה בבירור שאינטראקציות בין אלקטרונים חייבות להיות אחראיות לפער הבידוד באותו חומר 1D. זמן הרפיה מהיר יותר זה נראה תואם לתיאוריית פיזיקה אחרת המכונה תיאוריית הנוזל לוטינגר.

בנוזל לוטינגר, האלקטרונים נעים יותר כמו קהל בקונצרט במקום לנוע כמו יחידים. הם מקיימים אינטראקציה חזקה זה עם זה ויוצרים סוג של התנהגות קולקטיבית. התנהגות קולקטיבית זו גורמת לנוזל לפעול כמו מבודד, שמסרב להוליך זרם חשמלי.

שיטה חדשה זו, שהודגמה על ידי חוקרי JILA ו-CU Boulder, יכולה לשמש גם כדי לחשוף את אופי האינטראקציות הקוואזי-חלקיקים הקוונטיים בחומרים אחרים, כגון מוליכים וחומרים דו-ממדיים.

"אנו נרגשים מכך שעל ידי היכולת לחקור במדויק את האינטראקציות בין אלקטרונים, פונונים וספינים בחומרים בסקאלות הזמן הבסיסיות שלהם, אנו יכולים לחשוף מדוע לחומרים אלו יש את התכונות שיש להם וגם ללמוד כיצד לתמרן אותם", אמר Murnane .