MIT 과학자들과 오스틴의 텍사스 대학(UT Austin)의 과학자들은 평형 우주에서 숨겨진 빛에 의해 유도된 준안정 위상의 스냅샷을 처음으로 포착했다. 전자 밀도의 나노 스케일 변조가 있는 2D 결정에 단일 샷 분광 기술을 사용하여 실시간으로 이러한 전환을 볼 수 있었다.
UT Austin에서 박사후 연구원으로 재직 중인 연구에 대한 논문의 공동 수석 저자 Frank Gao 는 “이 연구를 통해 우리는 전자적으로 변조된 결정에서 극초단 레이저 펄스에 의해 유도된 숨겨진 양자 위상의 탄생과 진화를 보여주고 있다”고 말했다.
“일반적으로 재료에 레이저를 비추는 것은 재료를 가열하는 것과 같지만 이 경우에는 그렇지 않습니다.여기서 수정을 조사하면 전자 질서가 재배열되어 고온의 상과는 완전히 다른 상이 생성됩니다.”
공동 저자인 MIT 화학 대학원생 Zhuquan Zhang이 덧붙였다.
이 연구 논문은 Science Advances에 게재됐다. 프로젝트는 MIT의 Haslam 및 Dewey 화학 교수인 Keith A. Nelson과 UT-Austin 물리학 조교수 Edoardo Baldini가 함께 이끌었다.
Nelson은 “그런 준안정 양자상의 기원을 이해하는 것은 비평형 열역학에서 오랫동안 지속되어온 근본적인 문제를 해결하는 데 중요하다”라고 말했다.
이 결과의 핵심은 100펨토초의 시간 분해능으로 양자 물질의 비가역적 프로세스를 관측할 수 있는 최첨단 레이저 방법의 개발이었다.
이황화 탄탈륨 물질은 공유 결합된 탄탈륨 및 황 원자 층으로 구성되어 있으며 서로 느슨하게 적층돼 있다. 임계 온도 아래에서 재료의 원자와 전자는 “전하 밀도 파”로 알려진 전자의 비전통적인 분포인 나노스케일 “다윗의 별” 구조로 패턴화된다.
이 새로운 위상의 형성은 재료를 절연체로 만들지만 하나의 강렬한 광 펄스를 비추면 재료를 준안정 숨겨진 금속으로 밀어 넣는다. Baldini는 “시간이 정지된 일시적인 양자 상태다. 사람들은 이전에 이 빛에 의해 유도된 숨겨진 단계를 관찰했지만, 그 기원 뒤에 있는 초고속 양자 프로세스는 아직 알려지지 않았다”고 말했다.
Nelson은 “핵심 과제 중 하나는 하나의 전자 주문에서 무기한으로 지속될 수 있는 주문으로의 초고속 변환을 관찰하는 것이 기존의 시분할 기법으로는 실용적이지 않다는 것”이라고 덧붙였다.
연구원들은 단일 프로브 레이저 펄스를 수백 개의 별개의 프로브 펄스로 분할하는 것과 관련된 고유한 방법을 개발했다. 이 펄스는 모두 별도의 초고속 여기 펄스에 의해 시작된 전환 전후에 서로 다른 시간에 샘플에 도달했다. 샘플에서 반사되거나 샘플을 통해 전송된 후 이러한 프로브 펄스 각각의 변화를 측정한 다음 측정 결과를 개별 프레임처럼 묶음으로써 변환이 발생하는 메커니즘에 대한 미시적 통찰력을 제공하는 영화를 구성할 수 있다.
단일 샷 측정에서 이 복잡한 위상 변환의 역학을 포착, 저자들은 전하 밀도 파동의 용융 및 재정렬이 은닉 상태의 형성으로 이어진다는 것을 입증했다. Harvard Quantum Institute 박사후 연구원인 Zhiyuan Sun의 이론적 계산은 이 해석을 확인했다.
이 연구는 하나의 특정 물질로 수행되었지만 연구원들은 이제 동일한 방법론을 사용하여 양자 물질의 다른 이국적인 현상을 연구할 수 있다고 말한다. 이 발견은 또한 주문형 광응답을 갖는 광전자 장치의 개발에 도움이 될 수 있다.
