В результате совместной работы ученых из Соединенных Штатов Америки и России изучен необычный переход состояний в квантовом материале при воздействии лазерного импульса.
Результаты исследования опубликованыВ журнале «Nature Physics».
Взяв лед в руку, вы увидите его плавление, то есть переход из твердого состояния в жидкое. В природе множество фазовых переходов, происходящих при изменении температуры вещества. Но фазовый переход можно вызвать не только путем контакта с горячей или холодной средой, но и воздействием лазера. Лазер также изменяет температуру, но делает это мгновенно.
Международная группа учёных из Массачусетского технологического института США и Сколтеха в работе от 15 октября изучила воздействие лазерного импульса на фазовый переход в квантовом материале. Результаты, опубликованные в статье, показывают, что лазерный импульс вызывает появление долгоживущих микроскопических объектов — топологических дефектов. Их нужно учитывать при разработке новых оптоэлектронных устройств, использующих подобные материалы.
Группа учёных из MIT под руководством профессора Нуха Гедика провела эксперименты, поражающие своей сложностью. Благодаря современной аппаратуре исследователи могли измерять состояние вещества в чрезвычайно короткие временные интервалы. После запуска лазерного импульса изменения в материале фиксировались с временным разрешением менее одной триллионной доли секунды.
Группой физиков-теоретиков из Сколтеха под руководством профессора Бориса Файна были интерпретированы полученные данные и обнаружены топологические дефекты, что помогло американским коллегам.
Топологические фазы в квантовых материалах привлекают внимание физиков, математиков и химиков. В 2016 году Нобелевская премия по физике была присуждена Дэйвиду Таулессу, Майклу Костерлицу и Данкану Холдейну за открытие топологических фаз и топологических фазовых переходов. Влияние топологических дефектов на фазовые переходы впервые осознали и исследовали в начале 1970-х годов советский физик-теоретик Вадим Березинский.
«Наш анализ показал существенные отличия между фазовыми переходами, вызванными светом, и их равновесными аналогами, — отмечает Нух Гедик. — Сверхбыстрым лазерным импульсом мы «растопили» волну зарядовой плотности и измерили множество параметров в тот короткий промежуток времени, пока система возвращалась к исходному состоянию. В результате мы обнаружили признаки возникновения топологических дефектов».
Поведение электронов в квантовых материалах, где возникает волна зарядовой плотности, представляет интерес с фундаментальной и прикладной точек зрения. Вычисление этого поведения напрямую затруднительно, особенно при быстром охлаждении, поэтому приходится полагаться на тесное взаимодействие с экспериментом. Работа напоминает детективное расследование, где нужно принимать во внимание множество косвенных улик. Представленные в статье улики указывают на то, что топологические дефекты, появившиеся вследствие лазерного импульса, не позволяют системе быстро вернуться в состояние с однородной волной зарядовой плотности.
«Взаимодействие с коллегами из Сколтеха было ключевым для установления физической картины, объясняющей наши экспериментальные данные», — отмечает Гедик. Американский учёный доволен совместной работой, и российские участники исследования разделяют его мнение. «Обмен опытом с коллегами из MIT был для меня ценным моментом», — говорит аспирант Сколтеха Павел Долгирев. «Их настойчивые вопросы, основанные на эксперименте, заставили переосмыслить каждый аспект нашего теоретического понимания», — добавляет ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук Александр Рожков.
Исследование, проведенное совместно российскими и американскими учёными, было реализовано при поддержке программы Next Generation Program (NGP), предназначенной для содействия сотрудничеству Сколтеха и MIT.
