Tres pulsos de excitación con vectores de onda k1, k2, y k3 forman tres esquinas de una caja con un cuarto pulso (oscilación local; LO) en la cuarta esquina. Crédito:FLOTA
Ultrarrápido La espectroscopia multidimensional desbloquea los efectos a escala macroscópica de las correlaciones electrónicas cuánticas.
Los investigadores del centro de investigación FLEET encontraron que los estados de baja energía y alta energía están correlacionados en una capa, material superconductor LSCO (lantano, estroncio, cobre, oxígeno).
Emocionando el material con un ultrarrápido ( <100fs), El haz de luz del infrarrojo cercano produce excitaciones coherentes que duran un tiempo sorprendentemente 'largo' de alrededor de 500 femtosegundos, que se origina a partir de una superposición cuántica de estados excitados dentro del cristal.
La fuerte correlación entre la energía de esta coherencia y la energía óptica de la señal emitida indica una interacción coherente entre los estados de baja y alta energía.
Este tipo de interacción coherente, informado aquí por primera vez, es la raíz de muchos fenómenos intrigantes y poco entendidos que muestran los materiales cuánticos.
Es una de las primeras aplicaciones de la espectroscopia multidimensional para estudiar sistemas de electrones correlacionados como los superconductores de alta temperatura.
Sondeo de materiales cuánticos
Las intrigantes propiedades magnéticas y electrónicas de los materiales cuánticos son una promesa significativa para las tecnologías futuras.
Sin embargo, El control de estas propiedades requiere una mejor comprensión de las formas en que surge el comportamiento macroscópico en materiales complejos con fuertes correlaciones electrónicas.
A / Prof Jeff Davis (Swinburne University of Technology) Crédito:FLEET
Las propiedades eléctricas y magnéticas potencialmente útiles de los materiales cuánticos con fuertes correlaciones electrónicas incluyen:transición de Mott, magnetorresistencia colosal, aisladores topológicos, y superconductividad a alta temperatura.
Tales propiedades macroscópicas surgen de la complejidad microscópica, arraigado en las interacciones que compiten entre los grados de libertad (carga, enrejado, girar, orbital, y topología) de estados electrónicos.
Si bien las mediciones de la dinámica de las poblaciones electrónicas excitadas han dado una idea, han descuidado en gran medida la intrincada dinámica de la coherencia cuántica.
En este nuevo estudio, Los investigadores aplicaron espectroscopia coherente multidimensional al desafío por primera vez, utilizar la capacidad única de la técnica para diferenciar entre rutas de señales en competencia, excitaciones selectivamente excitantes y exploradoras de baja energía.
Los investigadores analizaron la coherencia cuántica de las excitaciones producidas al golpear LSCO (lantano, estroncio, cobre y oxígeno) cristales con una secuencia de rayos ultrarrápidos de luz infrarroja cercana que duran menos de 100 femtosegundos
Esta coherencia tiene propiedades inusuales, dura un tiempo sorprendentemente 'largo' de alrededor de 500 femtosegundos, y se origina a partir de una superposición cuántica de estados excitados dentro del cristal.
Espectro 2-D que muestra la diferencia de energía entre los estados en la superposición cuántica, mostrado antes, durante y después de la superposición de pulsos
"Encontramos una fuerte correlación entre la energía de esta coherencia y la energía óptica de la señal emitida, lo que indica una interacción coherente especial entre los estados de baja y alta energía en estos sistemas complejos, "dice el autor del estudio Jeff Davis (Universidad Tecnológica de Swinburne).
Debido a que el número de excitaciones disponibles afecta la estructura de bandas de un cristal, la estructura de energía efectiva cambia transitoriamente durante la medición, que vincula excitaciones de baja energía y estados electrónicos ópticamente excitados.
Espectro 2D que muestra la diferencia de energía entre los estados en la superposición cuántica, mostrado antes, durante y después de la superposición de pulsos Crédito:FLEET
El estudio demuestra que la espectroscopia coherente multidimensional puede interrogar materiales cuánticos complejos de formas sin precedentes.
Además de representar un avance importante en la espectroscopia ultrarrápida de materiales correlacionados, el trabajo tiene un significado más amplio en óptica / fotónica, química, nanociencia, y ciencia de la materia condensada.
"La coherencia persistente de las superposiciones cuánticas en un cuprato dopado de manera óptima revelada por espectroscopia 2-D" se publicó en Avances de la ciencia en febrero de 2020.
