Terahertz laser induserer romtemperatur superledende fase i en fullerenforbindelse – Physics World

Terahertz laser induserer romtemperatur superledende fase i en fullerenforbindelse – Physics World

Tidsstempel: 30. november 2023, kl

Et organisk materiale i en metastabil fase oppfører seg litt som en superleder ved romtemperatur når det eksiteres med laserlys
Det optiske oppsettet som ble brukt til å generere lavfrekvente laserpulser som resonanserte prøven. Med tillatelse: J. Witt, MPSD

Et organisk materiale i en metastabil fase oppfører seg litt som en superleder i romtemperatur når det eksiteres med laserlys. Selv om denne oppførselen blekner nesten like raskt som laserpulsen som induserer den, sier teamet bak oppdagelsen at med riktig lyskilde kan det være mulig å holde materialet i sin superledende-lignende tilstand kontinuerlig.

Forskere har visst en stund at lys ved terahertz og mellominfrarøde frekvenser på visse materialer er en god måte å manipulere egenskapene deres på. I noen tilfeller kan denne metoden til og med brukes til å lage ikke-likevektsmaterialefaser som ikke har noen analog under normale forhold.

"Gruppen vår har studert hvordan man bruker koherente lysfelt for å forsterke eller på annen måte forbedre superledning - en tilstand som vanligvis oppnås fra spontan dannelse av elektronisk koherens (sammenkobling av elektronpar)," forklarer Andrea Cavalleri, en fysiker ved Max Planck-instituttet for materiens struktur og dynamikk (MPSD) i Hamburg, Tyskland som ledet forskningsinnsatsen. "Tidligere fant vi at i en rekke materialer (kupratene [kobberoksidene] og noen organiske materialer som K3C60), ser denne effekten ut til å være mulig.»

I det nye verket, som er beskrevet i Naturfysikk, viste Cavalleri og kolleger at fotospenning av materialet med en lyskilde innstilt til 10 THz er mye mer effektivt til å produsere effekten i K3C60 enn tidligere teknikker. Faktisk fant forskerne at de kunne generere den samme superledende tilstanden som i tidligere studier med en 100 ganger lavere laserfluens. Denne ikke-likevekts superledende tilstanden varer i nanosekunder og vises ved romtemperatur, noe som gjør oppdagelsen "spesielt betydelig", sier Cavalleri.

Ny optisk kilde

Frekvenser i området få terahertz er spesielt vanskelige for ultrakorte pulslasere å produsere, og det siste resultatet ble muliggjort ved å utvikle en ny optisk kilde. Denne kilden er basert på kvitrende pulser, og MPSD-forskerne fremstilte den ved å bruke en kombinasjon av teknikker. I et oppfølgingsarbeid publisert i Nature Communications, viste de i tillegg at de kunne integrere kilden på en brikke, som de sier kan føre til et bredere spekter av opto-elektroniske applikasjoner.

kilden kan integreres på en brikke
Måleoppsett, der midt-infrarøde og synlige stråler fokuseres på den optoelektroniske enheten. Innfelt: Bilde av enheten der pikosekundstrømpulser blir lansert, transportert og oppdaget. (Med tillatelse: Eryin Wang, MPSD)

Ifølge forskerne kan en lyskilde med høyere repetisjonshastighet – det vil si en kortere varighet mellom påfølgende laserpulser – tillate at den metastabile superledende tilstanden varer lenger. "Hvis vi kunne levere hver ny puls før prøven går tilbake til sin ikke-superledende likevektstilstand, kan det være mulig å opprettholde den superledende-lignende tilstanden kontinuerlig," forklarer teammedlem Edward Rowe.

Cavalleri er enda mer optimistisk. "Vi når et regime som ikke er langt unna et regime der du kunne tenke deg å drive superledere med kontinuerlige bølgekilder for å oppnå jevn romtemperaturdrift," forteller han Fysikkens verden. "Vi kunne tenke oss å drive denne effekten i stabil tilstand med bare noen få watt kraft." Den største flaskehalsen, legger han til, er mangelen på lyskilder med kontinuerlig bølge tilgjengelig ved 10 THz.

MPSD-teamet planlegger nå å karakterisere den metastabile superledende-lignende tilstanden til samme presisjonsnivå som er mulig ved likevekt, med sikte på å bedre forstå de mikroskopiske mekanismene bak fotoindusert superledning. Blant andre mengder håper de å måle statens magnetiske og elektriske egenskaper, atomstruktur og kanskje kvantefenomener som elektrontunnelering, nærhetseffekter og andre relaterte fenomener. "Det vil også være interessant å tenke på nye potensielle bruksområder for et slikt system innen kvanteoptoelektronikk," sier Cavalleri.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden