新研究描述一種特殊的量子材料在超快激光脈沖作用下失衡時的相變

據外媒報道,Lex Kemper是北卡羅萊納州立大學的物理學副教授。他研究量子材料:這是一種具有奇特物理特性的固體材料,使它們在計算或能源應用中發揮作用。Kemper是最近發表在《自然-通訊》雜志上的一篇論文的合著者,該論文描述了一種特殊的量子材料(Cerium tri-Telluride,即CeTe3)在超快激光脈沖作用下失衡時的相變。

新研究描述一種特殊的量子材料在超快激光脈沖作用下失衡時的相變

該項目由密歇根州立大學的研究人員領導,另外還有來自西北大學和阿貢國家實驗室的貢獻者。Kemper解釋了研究團隊的發現,以及這一研究成果很重要的原因:

相變是物理學和化學的一個基本環節。例如,我們都熟悉水的不同相,但這種由粒子組成的系統改變它的樣子和行為方式的想法在科學中真的無處不在。而雖然我們知道水變成冰的結果,但精確的過程會導致許多不同種類的冰:有時冰是透明的,而有時不是,而差異與你如何凍結它有關。因此,研究相變是如何發生的,可以告訴我們很多關於基本物理學的知識,以及關於雙方的結果相。

新研究描述一種特殊的量子材料在超快激光脈沖作用下失衡時的相變

在量子物理學層面,同樣的想法也適用。當我們在臨界溫度上慢慢改變溫度時,我們可以看到一個系統從一種狀態到另一種狀態的變化;例如,我們可以看到材料變得堅硬,就像我們可以看到冰的形成。但我們看不到原子水平上發生的細節。在這項工作中,我們能夠克服這一點,並打開了一個窗口,了解原子如何在原子(皮秒)時間尺度上從系統的一個階段重新排列到另一個階段。

在這項特殊的工作中,我們研究了CeTe3。它是稀土三碲化物這一大類材料的一部分。如果你看一下它在高溫下的原子結構,這種材料就像一張堆疊的方格網一樣。隨着溫度的降低,方塊變成了長方形。這種情況有兩個方向(我們稱它們為A和B),但材料只能選擇一個方向。哪一個取決於偶然性–缺陷引起的材料中的局部應力和應變。

新研究描述一種特殊的量子材料在超快激光脈沖作用下失衡時的相變

在實驗中,我們用超短的強激光脈沖將系統短暫地從「A」的矩形狀態中取出,並觀察它是如何嘗試「改造」的。由於對任何一個矩形狀態都沒有特別強的驅動力,系統同時形成了A和B兩個矩形。當其中一個矩形(在皮秒原子時間尺度上)主導另一個矩形時,「錯誤」狀態的小水坑就會留下,這些小水坑很難擺脫,並且會持續納秒(100倍以上)。

這些結果告訴我們相變是如何發生的基本方面,材料的各個部分是如何相互「交談」,使它們的原子對齊,從而使模式匹配,以及這一切發生的能量景觀是什麼。

當我們知道量子材料發生了什麼,以及它們如何在原子水平上改變它們的狀態時,我們就可以利用這些知識來開發新的更好的設備,比如核磁共振成像機,以及更好的計算機存儲器。

來源:cnBeta