Фазовые переходы через лазерный импульс

Материалы будущего через лазерный импульс

Особый интерес для современных исследований материалов в области физики твердого тела представляют так называемые «сильно коррелированные системы». Этот вид систем получил своё название по причине сильного внутриструктурного взаимодействия электронов. Яркий пример магниты. Электроны в структуре магнитов выстраиваются в предпочтительном направлении вращения внутри материала. Именно этот эффект и способствует образованию магнитного поля.

Как диэлектрики превратить в проводники

Однако имеются также другие, совершенно разные структурные порядки, заслуживающие внимания. Например, диэлектрики Мотта, которые сейчас интенсивно исследуются, показывают свободное течение электронов. Соответственно, диэлектрики Мотта способны проводить электричество.

Mott изолятор
Диэлектрики Мотта и картинка структурных фазовых изменений под физическим действием

Но взаимодействие между электронами, в данном случае, препятствует их течению, поэтому диэлектрики Мотта в конечном итоге характеризуются как изоляторы.

Прерывая этот порядок при помощи сильного лазерного импульса, физические свойства диэлектрика можно резко изменить. Подобное состояние сравнимо с фазовым переходом от твердого вещества к жидкости. Так, к примеру, при таянии льда жесткие кристаллы становятся свободно текущими молекулами воды.

Аналогичным образом электроны внутри сильно коррелированного материала становятся свободными, когда внешним лазерным импульсом провоцируется фазовый переход в определённом структурном порядке.

Такими фазовыми переходами удачно могут быть созданы совершенно новые переключающие элементы для электроники следующего поколения. Рождается электроника быстрая, энергетически более эффективная, чем современные транзисторы.

Если рассуждать теоретически, те же компьютеры ускорятся примерно в тысячу раз за счёт «турбореактивного» воздействия световыми импульсами на электронные компоненты.

Между тем проблема с изучением фазовых переходов заключается в чрезвычайно высоких скоростях. Крайне сложно «поймать» фазовые переходы в действии.

До сих пор ученым приходилось довольствоваться характеристикой состояния исследуемого объекта до и после фазового перехода.

Поймать фазовый переход лазером

Однако исследователи Руи Сильва (Rui Silva), Ольга Смирнова и Миша Иванов из Берлинского Института Макса Борна разработали метод, который в прямом смысле проясняет процесс фазовых переходов.

Их теория заключается в «обстреле» испытательного объекта очень короткими сшитыми лазерными импульсами . Такого рода импульсы удалось получить только в последнее время, благодаря инновационным разработкам в лазерной технике.

Новые лазерные машины
Благодаря новым лазерным аппаратам, учёным удаётся совершать инновационные открытия и укрощать фазовые переходы

После обстрела наблюдается реакция объекта, что позволяет увидеть, как электроны в материале возбуждаются и движутся. При возбуждении излучаются резонансные колебания, подобно звукам колокола. Будто гармоники падающего света на определенных частотах.

«Анализируя этот спектр высоких гармоник, мы можем впервые наблюдать изменение структурного порядка в этих сильно коррелированных материалах», — отметил главный исследователь — Руи Сильва.

Лазерные источники, способные целенаправленно запускать фазовые переходы, стали доступны учёным совсем недавно. Импульсы новых лазеров достаточно сильные и короткие — порядка фемтосекунд по длительности (миллионная доля миллиарда в секунду).

Всего одним колебанием света

В некоторых случаях для разрушения электронного порядка объекта и превращения изолятора в металлический проводник, требуется всего одно колебание света.

Ученые Берлинского Института Макса Борна позиционируются ведущими мировыми экспертами в области исследований аппаратами ультракоротких лазерных импульсов.

«Если мы хотим использовать свет для контроля свойств электронов в материале, то нам нужно точно знать, как электроны будут реагировать на световые импульсы», — пояснил Миша Иванов.

Благодаря новейшим лазерным источникам, которые позволяют полностью контролировать электромагнитное поле даже до одного колебания, недавно разработанная методика позволит глубже изучить материалы будущего.

По материалам: Sciencedaily



Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *