Dinamiche intricate di coerenza quantistica

Eccitando il materiale con un raggio ultra-veloce (<100fs), il raggio di luce nel vicino infrarosso produce eccitazioni coerenti che durano un tempo sorprendentemente "lungo" di circa 500 femtosecondi, originando da una sovrapposizione quantistica di stati eccitati all'interno del cristallo.

Dinamiche intricate di coerenza quantistica

Dinamiche intricate di coerenza quantistica

La spettroscopia ultraveloce e multidimensionale sblocca gli effetti su scala macroscopica delle correlazioni elettroniche quantistiche.

I ricercatori hanno scoperto che gli stati di bassa energia e alta energia sono correlati in un materiale stratificato e superconduttore LSCO (lantanio, stronzio, rame, ossigeno).

Eccitando il materiale con un raggio ultra-veloce (<100fs), il raggio di luce nel vicino infrarosso produce eccitazioni coerenti che durano un tempo sorprendentemente "lungo" di circa 500 femtosecondi, originando da una sovrapposizione quantistica di stati eccitati all'interno del cristallo.

La forte correlazione tra l'energia di questa coerenza e l'energia ottica del segnale emesso indica un'interazione coerente tra gli stati a bassa e alta energia.

Questo tipo di interazione coerente, riportata qui per la prima volta, è la radice di molti fenomeni intriganti e di scarsa comprensione mostrati da materiali quantistici.

È una delle prime applicazioni della spettroscopia multidimensionale per lo studio di sistemi elettronici correlati come i superconduttori ad alta temperatura.

MATERIALI QUANTUM PROBING

Le affascinanti proprietà magnetiche ed elettroniche dei materiali quantistici promettono in modo significativo per le tecnologie future.

Tuttavia, controllare queste proprietà richiede una migliore comprensione dei modi in cui il comportamento macroscopico emerge in materiali complessi con forti correlazioni elettroniche.

Le proprietà elettriche e magnetiche potenzialmente utili dei materiali quantistici con forti correlazioni elettroniche includono: transizione di Mott, magnetoresistenza colossale, isolanti topologici e superconduttività ad alta temperatura.

Tali proprietà macroscopiche emergono dalla microscopica complessità, radicata nelle interazioni concorrenti tra i gradi di libertà (carica, reticolo, rotazione, orbitale e topologia) degli stati elettronici.

Sebbene le misurazioni della dinamica delle popolazioni elettroniche eccitate siano state in grado di fornire alcune informazioni, hanno in gran parte trascurato l'intricata dinamica della coerenza quantistica.

In questo nuovo studio, i ricercatori hanno applicato per la prima volta la spettroscopia coerente multidimensionale alla sfida, utilizzando la capacità unica della tecnica di distinguere tra percorsi di segnale concorrenti, eccitando selettivamente e sondando le eccitazioni a bassa energia.

I ricercatori hanno analizzato la coerenza quantistica delle eccitazioni prodotte colpendo i cristalli di LSCO (lantanio, stronzio, rame e ossigeno) con una sequenza di fasci ultraveloci su misura di luce nel vicino infrarosso della durata inferiore a 100 femtosecondi

Questa coerenza ha proprietà insolite, dura un tempo sorprendentemente "lungo" di circa 500 femtosecondi e proviene da una sovrapposizione quantistica di stati eccitati all'interno del cristallo.

Spettro 2D che mostra la differenza di energia tra gli stati nella sovrapposizione quantistica, mostrata prima, durante e dopo la sovrapposizione degli impulsi

"Abbiamo trovato una forte correlazione tra l'energia di questa coerenza e l'energia ottica del segnale emesso, che indica una speciale interazione coerente tra gli stati a bassa e alta energia in questi sistemi complessi", afferma l'autore dello studio Jeff Davis (Swinburne University of Tecnologia).

Poiché il numero di eccitazioni disponibili influisce sulla struttura della banda di un cristallo, l'effettiva struttura energetica cambia transitoriamente durante la misurazione, che collega eccitazioni a bassa energia e stati elettronici eccitati otticamente.

Lo studio dimostra che la spettroscopia coerente multidimensionale può interrogare materiali quantistici complessi in modi senza precedenti.

Oltre a rappresentare un importante progresso nella spettroscopia ultraveloce di materiali correlati, il lavoro ha un significato più ampio in ottica / fotonica, chimica, nanoscienza e scienza della materia condensata.

LO STUDIO

La coerenza persistente delle sovrapposizioni quantistiche in una percentuale di droghe ottimamente drogata rivelata dalla spettroscopia 2D è stata pubblicata su Science Advances nel febbraio 2020.

Gli autori riconoscono il finanziamento dell'Australian Research Council (programmi Future Fellowship e Centri di eccellenza). Il lavoro è stato condotto presso il Center for Quantum and Optical Science (Swinburne University of Technology), Ruhr University (Germania) e University of Oxford (UK).

SPETTROSCOPIA ULTRAFAST A FLOTTA

All'interno di FLOTTA, Jeff Davis utilizza la spettroscopia ultraveloce per studiare e controllare le interazioni microscopiche nei materiali 2D e come conducono al comportamento macroscopico.

Nel terzo tema di ricerca della FLOTTA, i materiali trasformati in luce, i sistemi sono temporaneamente scacciati dall'equilibrio termico per studiare la fisica qualitativamente diversa visualizzata e le nuove capacità per controllare dinamicamente il loro comportamento.

FLEET è un centro di ricerca finanziato dall'Australian Research Council che riunisce oltre un centinaio di esperti australiani e internazionali per sviluppare una nuova generazione di elettronica a bassissima energia.