Американские и российские исследователи провели исследование нестандартного фазового перехода в квантовом материале, вызванного воздействием лазерного импульса. Эта работа способствует прогрессу в области оптоэлектроники.
Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Physics.
При контакте с рукой лед тает, переходя из твердого состояния в жидкое. В природе часто наблюдаются подобные изменения агрегатного состояния, вызванные изменением температуры вещества. Однако фазовый переход можно спровоцировать не только при соприкосновении с более теплой или холодной средой, но и с помощью лазера. Лазер также повлияет на температуру, но произойдет это значительно быстрее.
В работе, опубликованной 15 октября, международная группа ученых, включающая исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) США и Сколтеха, изучила воздействие лазерного импульса на фазовый переход в квантовом материале, в результате которого спонтанно формируется волна зарядовой плотности электронов. В статье представлены результаты, свидетельствующие о том, что лазерный импульс вызывает появление особых, долгоживущих микроскопических объектов, которые получили название топологических дефектов. При проектировании новых оптоэлектронных устройств, использующих материалы этого типа, необходимо принимать во внимание особенности данных дефектов.
Группа ученых из MIT во главе с профессором Нухом Гедиком провела сложные эксперименты. Благодаря современной аппаратуре исследователям удалось измерять состояние вещества за очень короткие промежутки времени. Изменения в материале, возникшие после воздействия лазерного импульса, фиксировались с разрешением менее одной триллионной доли секунды.
Группа теоретических физиков из Сколтеха во главе с профессором Борисом Файнам помогла американским коллегам проанализировать полученные данные и выявить топологические дефекты.
Изучение топологических фаз в квантовых материалах представляет большой интерес для физиков, математиков и химиков. В 2016 году за открытие топологических фаз и топологических фазовых переходов Дэйвиду Таулессу, Майклу Костерлицу и Данкану Холдейну была присуждена Нобелевская премия по физике. Впервые влияние топологических дефектов на фазовые переходы было осознано и исследовано в работах советского физика-теоретика Вадима Березинского в начале 1970-х годов.
«По словам Нуха Гедика, наше исследование показало существенные различия между фазовыми переходами, вызванными светом, и их равновесными аналогами. Используя сверхбыстрый лазерный импульс, мы инициировали «расплавление» волны зарядовой плотности и затем измеряли различные параметры в течение крайне короткого периода времени, пока система возвращалась к первоначальному состоянию. В результате мы зафиксировали признаки формирования топологических дефектов».
«С точки зрения как фундаментальной науки, так и прикладных разработок, представляет большой интерес аномальное поведение электронов в квантовых материалах, сопровождаемое формированием волны зарядовой плотности, — объясняет Борис Файн. — Прямой расчет этого поведения затруднителен, особенно при резком понижении температуры. Поэтому необходима тесная связь с экспериментальными данными. Эта работа напоминает детективное расследование, требующее учета множества косвенных признаков. Данные, представленные в нашей статье, свидетельствуют о том, что топологические дефекты, образовавшиеся под воздействием лазерного импульса, препятствуют быстрому возвращению системы к состоянию с равномерной волной зарядовой плотности».
«По словам Гедика, взаимодействие со Сколтехом стало решающим фактором в формировании понимания, которое объясняет результаты наших экспериментов. Российские участники исследования также отмечают удовлетворенность сотрудничеством с американским коллегой. Павел Долгирев, аспирант Сколтеха, считает, что совместная работа стала для него бесценным опытом. «Настойчивые вопросы, основанные на экспериментальных данных, побудили нас пересмотреть все аспекты нашего теоретического понимания», — отмечает ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук Александр Рожков.
Благодаря программе Next Generation Program (NGP), направленной на поддержку сотрудничества Сколтеха и MIT, российские и американские ученые смогли провести совместное исследование.