Bestimmte Materialien haben wünschenswerte Eigenschaften, die verborgen bleiben, und wie das Leuchten einer Taschenlampe im Dunkeln können Wissenschaftler Licht nutzen, um diese Eigenschaften aufzudecken. Forscher haben eine fortschrittliche optische Technik entwickelt, die Licht nutzt, um die verborgenen Eigenschaften des Quantenmaterials Ta2NiSe5 (TNS) aufzudecken. Mithilfe der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie beobachtete das Team eine ungewöhnliche Terahertz-Lichtverstärkung, die auf das Vorhandensein von Exzitonenkondensaten hinweist. Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Verwendung von Quantenmaterialien für verschränkte Lichtquellen und andere Anwendungen in der Quantenphysik.
Forscher der UC San Diego haben eine fortschrittliche optische Technik eingesetzt, um mehr über ein Quantenmaterial namens Ta2NiSe5 (TNS) zu erfahren. Ihre Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
Materialien können durch verschiedene äußere Reize, normalerweise Temperatur- oder Druckänderungen, gestört werden. Da Licht jedoch das schnellste Ding im Universum ist, reagieren Materialien sehr schnell auf Lichtreize und offenbaren ansonsten verborgene Eigenschaften.
Fortschrittliche optische Technologien in Quantenmaterialien
„Im Wesentlichen strahlen wir einen Laser auf ein Material, was einer Stop-Motion-Fotografie ähnelt, und wir können eine bestimmte Eigenschaft des Materials Schritt für Schritt verfolgen“, sagte Richard Avitt, Professor für Physik, der die Studie leitete und einer der Autoren des Papiers war. „Indem wir beobachten, wie sich die einzelnen Partikel durch dieses System bewegen, können wir diese Eigenschaften identifizieren, die sonst schwer zu erkennen wären.“
Das Experiment wurde vom Erstautor Sheikh Rubaiat Ul Haque durchgeführt, der 2023 seinen Abschluss an der UC San Diego machte und jetzt Postdoktorand an der Stanford University ist. Zusammen mit Yuan Zhang, einem weiteren Doktoranden im Everett-Labor, verfeinerte er eine Technik namens Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie. Diese Technik ermöglicht es Wissenschaftlern, die Eigenschaften von Materialien innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs zu messen, und Haacks Verbesserungen ermöglichen ihnen den Zugriff auf einen breiteren Frequenzbereich.
Quantenzustände und Lichtverstärkung
Diese Arbeit basiert auf einer Theorie, die von einem anderen Autor der Arbeit, Professor Eugene Demler von der ETH Zürich, vorgeschlagen wurde. Demler und sein Doktorand Marios Michael schlugen die Idee vor, dass bestimmte Quantenmaterialien, wenn sie durch Licht angeregt werden, zu einem Medium werden könnten, das Licht bei Terahertz-Frequenzen verstärkt. Dies veranlasste Haack und Kollegen, sich die optischen Eigenschaften von TNS genauer anzusehen.
Wenn ein Elektron durch ein Photon auf ein höheres Niveau angeregt wird, bleibt ein Loch zurück. Wenn sich Elektronen und Löcher verbinden, entstehen Exzitonen. Exzitonen können auch Kondensate bilden – ein Zustand, der auftritt, wenn Teilchen zusammenkommen und sich wie eine Einheit verhalten.
Mit der Unterstützung von Demlers Theorie und mithilfe von Dichtefunktionalberechnungen der Gruppe von Angel Rubio am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie konnte das Forschungsteam das anomale Terahertz-Lichtverstärkungsphänomen beobachten und so einige verborgene Eigenschaften des kondensierten Zustands der TNS-Exzitonen aufdecken.
Kondensate sind wohldefinierte Quantenzustände und einige ihrer Quanteneigenschaften können mit dieser spektroskopischen Technik dem Licht aufgeprägt werden. Dies könnte Auswirkungen auf das aufstrebende Gebiet der verschränkten Lichtquellen (mehrere Lichtquellen mit miteinander verbundenen Eigenschaften) haben, die Quantenmaterialien nutzen.
„Ich denke, das ist ein weites Feld“, sagte Haack. „Demlers Theorie kann auf eine Reihe anderer Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften angewendet werden. Mit dieser Technologie können wir neue lichtinduzierte Phänomene entdecken, die noch nie zuvor erforscht wurden.“
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily