物理学家创造稳定的“超晶体”

2022-02-25 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:390 /
内容摘要:
超快光脉冲的刺激可以实现和操纵具有突发结构、电子和磁现象的物质状态。根据发表在《自然材料》杂志上的一项新研究,超快激光脉冲加上“挫折”导致了一种新的物质状态& # 8212;“超晶体”来自相场模拟的超晶体的3D图像。影像学分:宾州州立大学L-Q陈氏集团。“我们正在通过将物质从它的......

超快光脉冲的刺激可以实现和操纵具有突发结构、电子和磁现象的物质状态。根据发表在《自然材料》杂志上的一项新研究,超快激光脉冲加上“挫折”导致了一种新的物质状态& # 8212;“超晶体”

A 3D image of a supercrystal from phase-field simulations. Image credit: L-Q Chen Group, Penn State.

来自相场模拟的超晶体的3D图像。影像学分:宾州州立大学L-Q陈氏集团。

“我们正在通过将物质从它的舒适状态中取出来寻找隐藏的物质状态,我们称之为基态,”宾夕法尼亚州立大学的文卡特拉曼·戈帕兰教授说,他是这项研究的合著者。

“我们通过使用光子将电子激发到更高的状态来实现这一点,然后观察材料恢复到正常状态。这个想法是,在激发态,或者在一眨眼就到达基态的过程中,我们会发现我们希望拥有的性质,比如新形式的极性、磁性和电子态。”

当激光以400纳米的波长(蓝光)向样品发射光子100飞秒时,通过泵浦探测技术就可以找到这些状态。

泵浦光激发电子进入更高的能量状态,随后很快是探测光,这是读取材料状态的更柔和的光脉冲。

戈帕兰教授和合著者面临的挑战是找到一种方法来维持物质的中间状态,因为这种状态可能只存在几分之一秒,然后就消失了。然而,研究人员发现,在室温下,超晶体基本上永远处于这种状态。

他们通过“挫败”系统来实现这一点& # 8212;不允许材料做它想做的事情,也就是允许它不受约束地完全最小化它的能量。

科学家们通过使用钛酸铅和钛酸锶两种材料的单原子层来实现这一点,这两种材料在彼此的顶部交替堆叠,以建立3D结构。

钛酸铅是一种铁电体,一种极性材料,其极化导致材料中的正负电极。钛酸锶不是铁电材料。这种不匹配迫使极化矢量走上了一条不自然的道路,弯回自身形成漩涡,就像水顺着排水管旋转一样。

该团队在一个晶体衬底上生长这些层,该衬底的晶体大小介于两层材料之间。这提供了阿瑟第二级的挫折,因为钛酸锶层试图拉伸以符合衬底的晶体结构,而钛酸铅必须压缩以符合它。这使整个系统处于一种微妙但令人沮丧的状态,多相随机分布在体积中。

在这一点上,研究人员用激光脉冲照射材料,这将释放材料中的自由电荷,给系统增加额外的电能,使其变成超晶体。

这些超晶体有一个晶胞。晶体中最简单的重复单位& # 8212;比任何普通的无机晶体都要大得多,体积比原来两种材料的晶胞大一百万倍。材料会自行找到这种状态。

与瞬态不同,这种超晶体状态在室温下可能永远存在。这项研究至少需要一年时间。除非它被加热到大约350华氏度(177摄氏度),在那里它被擦除。

这个过程可以通过用光脉冲撞击材料来重复,并通过加热来擦除。这种状态只能通过具有一定最小阈值能量的超短激光脉冲来产生,而不能通过将该能量分散到长脉冲上来产生。

科学家们还利用高能x光衍射检查了超晶体形成前后的情况,清楚地显示了从无序物质到超晶体的转变。

该研究的第一作者、宾夕法尼亚州立大学和阿贡国家实验室的博士后研究员弗拉德·斯托伊察博士说:“由于脉冲持续时间短,超快激光在材料中的激发速度快于其固有的响应时间。

“虽然这种动态转变已经探索了几十年,以刺激材料的有序化,但直到现在,稳定材料稳态的策略似乎还遥不可及。”

_____

斯托伊察等人,2019年。三维纳米级周期性超晶体的光学产生自然材料18:377-383;doi:10.1038/s 14563-019-0311-x


标签:创造  物理学家  超晶体  稳定