科学家首次捕捉到二维晶体中隐藏的量子相

诸平

This illustration represents the light-induced collapse of the nanoscale charge order in a 2D crystal of tantalum disulfide (star-shapes) and the generation of a hidden metastable metallic state (spheres). Credit: Frank Yi Gao

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）网站2022年7月22日报道，科学家首次捕捉到二维晶体中隐藏的量子相（Scientists capture first-ever view of a hidden quantum phase in a 2D crystal）。

已故麻省理工学院（MIT）教授哈罗德·埃杰顿（Harold“Doc”Edgerton）在20世纪60年代开发了高速闪光灯摄影技术，这使我们能够想象出速度过快的事件，如子弹刺穿苹果，或水滴击中牛奶池。

现在，MIT和德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin简称UT Austin）的科学家利用一套先进的光谱学工具，首次捕捉到了隐藏在平衡宇宙中的光诱导亚稳相（light-induced metastable phase）的快照。通过在具有纳米级电子密度调制的2D晶体上使用单次激发光谱技术(single-shot spectroscopy techniques)，他们能够实时观察这种转变。

上述插图展示了二硫化钽（星形状）二维晶体中纳米级电荷顺序的光诱导崩塌，以及隐藏的亚稳金属态（球体）的生成。相关研究结果于2022年7月22日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Frank Y. Gao, Zhuquan Zhang, Zhiyuan Sun, Linda Ye, Yu-Hsiang Cheng, Zi-Jie Liu, Joseph G. Checkelsky, Edoardo Baldini, Keith A. Nelson. Snapshots of a light-induced metastable hidden phase driven by the collapse of charge order. Science Advances, 22 Jul 2022, 8(29), eabp9076. DOI: 10.1126/sciadv.abp9076. 

参与此研究的除了来自美国MIT的研究人员之外，还有来自美国哈佛大学（Harvard University）、美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UT Austin）的研究人员。该项目由MIT哈斯拉姆和杜威化学教授(Haslam and Dewey Professor of Chemistry at MIT)基思·纳尔逊（Keith A. Nelson）和UT Austin物理学助理教授爱德华多·巴尔迪尼（Edoardo Baldini）共同协调。

此项研究论文的共同第一作者、2022届博士毕业生弗兰克·高（Frank Y. Gao）说道：“通过这项工作，我们展示了超短激光脉冲（ultrashort laser pulse）在电子调制晶体中诱导的隐藏量子相位的诞生和演化。”弗兰克·高目前是UT Austin的博士后研究员。

“通常情况下，将激光照射在材料上与加热材料相同，但在这种情况下就不同了。在这里，晶体的辐照重新排列了电子顺序，产生了一个与高温相不同的全新相。”共同第一作者、现任麻省理工学院化学研究生的张珠泉（Zhuquan Zhang--音译）补充道。

激光显示（Laser shows）

基思·纳尔逊说：“了解这种亚稳量子相的起源对于解决非平衡热力学中长期存在的基本问题非常重要。”

爱德华多·巴尔迪尼补充道:“这一结果的关键是发展了一种最先进的激光方法，该方法可以将量子材料中的不可逆过程‘拍成电影’，时间分辨率为100飞秒（100 fs）。”

这种材料是二硫化钽（tantalum disulfide, TaS₂），由共价键合的钽原子和硫原子层松散地堆叠在一起。在临界温度以下，纳米级“大卫之星(Star of David)”中的原子和电子构成了一种称为“电荷密度波（charge density wave）”的非常规电子分布。

这种新相的形成使这种材料成为绝缘体，但耀眼一个单一的强光脉冲将这种材料推入亚稳态隐藏金属（metastable hidden metal）。爱德华多·巴尔迪尼说：“这是一种时间冻结的瞬态量子态，人们以前已经观察到了这种（have observed this）光诱导的隐相，但其成因背后的超快量子过程仍然未知。”

基思·纳尔逊补充道，“关键挑战之一是，观察从一个电子秩序到一个可能无限期持续的电子秩序的超快转变，对于传统的时间分辨技术（conventional time-resolved techniques）来说是不现实的。”

洞察脉冲（Pulses of insight）

研究人员开发了一种独特的方法，将单个探针激光脉冲（single probe laser pulse）分割成数百个不同的探针脉冲，所有这些脉冲在切换前后的不同时间到达样品，由一个单独的超快激发脉冲启动。通过测量每个探针脉冲在从样品反射或通过样品传输后的变化，然后将测量结果像单独的帧一样串联在一起，他们可以构建一部电影，为转换发生的机制提供微观洞察。

通过在单次测量中捕捉这种复杂相变的动力学，作者证明了电荷密度波的熔化和重新排序导致了隐藏状态的形成。哈佛量子研究所（Harvard Quantum Institute）博士后孙志远（Zhiyuan Sun音译）的理论计算证实了这一解释。

虽然这项研究是用一种特定的材料进行的，但研究人员说同样的方法现在可以用来研究量子材料中的其他奇异现象。这一发现还可能有助于开发具有按需光响应的光电子器件（optoelectronic devices）。

这项工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持(U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, award no. DE-SC0019126);戈登和贝蒂·摩尔基金会EPiQS计划赠款(Gordon and Betty Moore Foundation EPiQS Initiative grants: GBMF3848; GBMF9070); 哈佛量子计划，量子科学与工程博士后奖学金(Harvard Quantum Initiative, Postdoctoral Fellowship in Quantum Science and Engineering)以及罗伯特·韦尔奇基金会(Robert A. Welch Foundation, award no. F-2092-20220331)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

物理学家利用极红外激光脉冲揭示磁铁矿中冻结的电子波（Physicists use extreme infrared laser pulses to reveal frozen electron waves in magnetite）

Abstract

Nonequilibrium hidden states provide a unique window into thermally inaccessible regimes of strong coupling between microscopic degrees of freedom in quantum materials. Understanding the origin of these states allows the exploration of far-from-equilibrium thermodynamics and the development of optoelectronic devices with on-demand photoresponses. However, mapping the ultrafast formation of a long-lived hidden phase remains a longstanding challenge since the initial state is not recovered rapidly. Here, using state-of-the-art single-shot spectroscopy techniques, we present a direct ultrafast visualization of the photoinduced phase transition to both transient and long-lived hidden states in an electronic crystal, 1T-TaS₂, and demonstrate a commonality in their microscopic pathways, driven by the collapse of charge order. We present a theory of fluctuation-dominated process that helps explain the nature of the metastable state. Our results shed light on the origin of this elusive state and pave the way for the discovery of other exotic phases of matter.