Ultra rápido, espectroscopia multidimensional desbloqueia efeitos de escala macroscópica de correlações eletrônicas quânticas.

Pesquisadores do centro de pesquisa FLEET descobriram que os estados de baixa e alta energia estão correlacionados em camadas, material supercondutor LSCO (lantânio, estrôncio, cobre, oxigênio).

Excitando o material com um ultra-rápido ( <100 fs), feixe de luz infravermelha produz excitações coerentes que duram um tempo surpreendentemente "longo" de cerca de 500 femtossegundos, originando de uma superposição quântica de estados excitados dentro do cristal.

A forte correlação entre a energia desta coerência e a energia óptica do sinal emitido indica uma interação coerente entre os estados de baixa e alta energia.

Este tipo de interação coerente, relatado aqui pela primeira vez, é a raiz de muitos fenômenos intrigantes e mal compreendidos exibidos por materiais quânticos.

É uma das primeiras aplicações da espectroscopia multidimensional para estudar sistemas de elétrons correlacionados, como supercondutores de alta temperatura.

Sondando materiais quânticos

As propriedades magnéticas e eletrônicas intrigantes dos materiais quânticos são uma promessa significativa para tecnologias futuras.

Contudo, controlar essas propriedades requer um melhor entendimento das maneiras pelas quais o comportamento macroscópico emerge em materiais complexos com fortes correlações eletrônicas.

Propriedades elétricas e magnéticas potencialmente úteis de materiais quânticos com fortes correlações eletrônicas incluem:Transição de Mott, magnetorresistência colossal, isolantes topológicos, e supercondutividade de alta temperatura.

Essas propriedades macroscópicas emergem da complexidade microscópica, enraizado nas interações concorrentes entre os graus de liberdade (carga, treliça, rodar, orbital, e topologia) de estados eletrônicos.

Embora as medições da dinâmica de populações eletrônicas excitadas tenham sido capazes de fornecer alguns insights, eles negligenciaram amplamente a intrincada dinâmica da coerência quântica.

Neste novo estudo, pesquisadores aplicaram espectroscopia coerente multidimensional ao desafio pela primeira vez, utilizando a capacidade única da técnica para diferenciar as vias de sinal concorrentes, excitações seletivamente excitantes e sondagens de baixa energia.

Os pesquisadores analisaram a coerência quântica das excitações produzidas ao atingir LSCO (lantânio, estrôncio, de cobre e oxigênio) com uma sequência de cristais feixes ultrarrápidos de luz infravermelha com duração inferior a 100 femtossegundos

Essa coerência tem propriedades incomuns, dura um tempo surpreendentemente "longo" de cerca de 500 femtossegundos, e se origina de uma superposição quântica de estados excitados dentro do cristal.

Espectro 2-D mostrando diferença de energia entre os estados na superposição quântica, mostrado antes, durante e após a sobreposição de pulso

"Encontramos uma forte correlação entre a energia desta coerência e a energia óptica do sinal emitido, o que indica uma interação especial coerente entre os estados de baixa e alta energia nestes sistemas complexos, "diz o autor do estudo Jeff Davis (Swinburne University of Technology).

Como o número de excitações disponíveis afeta a estrutura de banda de um cristal, a estrutura de energia efetiva muda temporariamente durante a medição, que liga excitações de baixa energia e estados eletrônicos opticamente excitados.

O estudo demonstra que a espectroscopia coerente multidimensional pode interrogar materiais quânticos complexos de maneiras sem precedentes.

Além de representar um grande avanço na espectroscopia ultrarrápida de materiais correlacionados, o trabalho tem um significado mais amplo em óptica / fotônica, química, nanociência, e ciência da matéria condensada.

"Persistente coerência de superposições quânticas em um cuprato dopado de forma otimizada revelada por espectroscopia 2-D" foi publicado em Avanços da Ciência em fevereiro de 2020.