Лазер порождает долгоживущие микрообъекты

Топологические дефекты в волне зарядовой плотности – концептуальная иллюстрация. Фото Бориса Файна

Если лед взять в руку, то он расплавится, то есть перейдет из твердой фазы в жидкую. В природе существует много подобных фазовых переходов, возникающих при изменении температуры вещества. Однако фазовый переход можно вызвать не только соприкосновением с более горячей или холодной средой, но и воздействием лазера. Лазер тоже изменит температуру, но сделает это очень быстро.

Ученые из США и России изучили необычный фазовый переход в квантовом материале под действием лазерного импульса. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Physics.

Международная группа ученых, в состав которой вошли исследователи из Массачусетского технологического института США (MIT) и Сколтеха, изучала влияние лазерного импульса на фазовый переход, при котором в квантовом материале спонтанно возникает волна зарядовой плотности электронов. Результаты указывают на то, что лазерный импульс приводит к возникновению особых долгоживущих микроскопических объектов – топологических дефектов. Их важно учитывать при дизайне новых оптоэлектронных устройств.

Эксперименты, потрясающие свой сложностью, проводила группа ученых из MIT под руководством профессора Нуха Гедика. Современная аппаратура позволила исследователям замерять состояние вещества в кратчайшие временные интервалы. После подачи лазерного импульса изменения в материале фиксировались с временным разрешением менее чем одна триллионная доля секунды. Интерпретировать полученные данные и обнаружить топологические дефекты американским коллегам помогла группа физиков-теоретиков из Сколтеха под руководством профессора Бориса Файна.

«Наше исследование выявило важные различия между фазовыми переходами, индуцированными светом, и их равновесными аналогами, – рассказывает Нух Гедик. – С помощью сверхбыстрого лазерного импульса мы «расплавляли» волну зарядовой плотности, а дальше замеряли множество параметров за то очень короткое время, пока система возвращалась к исходному состоянию. Таким образом, мы обнаружили признаки возникновения топологических дефектов».

«Необычное поведение электронов в квантовых материалах, где возникает волна зарядовой плотности, очень интересно как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, – поясняет Борис Файн. – Рассчитать это поведение напрямую практически невозможно, особенно при быстром охлаждении. Поэтому приходится полагаться на тесное взаимодействие с экспериментом. Работа похожа на детективное расследование, в котором нужно принимать в расчет много косвенных улик. Улики, представленные в нашей статье, указывают на то, что топологические дефекты, возникшие в результате лазерного импульса, не позволяют системе быстро вернуться в состояние с однородной волной зарядовой плотности».

По информации  пресс-релиза Microsoft