Uma equipe internacional de pesquisadores apresentou novas ideias para espectroscopia multidimensional ultrarrápida de sólidos fortemente correlacionados. Seu trabalho foi publicado na Nature Photonics.



A equipe envolveu pesquisadores do XFEL europeu com colegas do Instituto Max Born em Berlim, Universidades de Berlim e Hamburgo, Universidade de Tóquio, Instituto Nacional Japonês de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST), Universidade Holandesa Radboud, Imperial College Londres e Centro de Hamburgo para Imagens Ultrarrápidas.

“Sólidos fortemente correlacionados são sistemas quânticos complexos e fascinantes nos quais frequentemente surgem novos estados eletrônicos, especialmente quando interagem com a luz”, diz Alexander Lichtenstein da Universidade de Hamburgo e Eu-XFEL.

Materiais fortemente correlacionados, que incluem supercondutores de alta temperatura, certos tipos de materiais magnéticos e materiais quânticos torcidos, entre outros, desafiam a nossa compreensão fundamental do microcosmo e oferecem oportunidades para muitas aplicações interessantes que vão desde a ciência dos materiais ao processamento de informação e à medicina:para por exemplo, supercondutores são usados ​​por scanners de ressonância magnética.

É por isso que é muito importante compreender a hierarquia e a interação dos diversos estados eletrônicos que surgem em materiais fortemente correlacionados. Ao mesmo tempo, desafia as nossas ferramentas experimentais e teóricas, porque as transformações entre estes estados estão frequentemente associadas a transições de fase.

As transições de fase são transformações que não se desenvolvem suavemente de um estágio para outro, mas podem ocorrer repentina e rapidamente, principalmente quando o material está interagindo com a luz.

Quais são os caminhos de carga e fluxo de energia durante essa transição? Com que rapidez isso ocorre? A luz pode ser usada para controlá-la e esculpir as correlações eletrônicas? A luz pode levar o material a um estado em que ele não se encontraria nas circunstâncias normais?

Esses são os tipos de questões que podem ser abordadas com dispositivos poderosos e sensíveis, como lasers de raios X, como o XFEL europeu em Schenefeld, perto de Hamburgo, e com as modernas ferramentas ópticas da ciência do attosegundo (1 attosegundo =10 ^-18 segundo. Em um attosegundo, a luz viaja menos de um milionésimo de milímetro).

No seu trabalho, a equipa internacional apresenta agora uma abordagem completamente nova que permite monitorizar e decifrar o movimento de carga ultrarrápido desencadeado por pulsos curtos de laser que iluminam um sistema fortemente correlacionado. Eles desenvolveram uma variante de espectroscopia multidimensional ultrarrápida, aproveitando o controle de attossegundos de como múltiplas cores de luz se somam para formar um pulso de laser ultracurto.

A resolução temporal de subciclo oferecida por esta espectroscopia mostra a interação complexa entre as diferentes configurações eletrônicas e demonstra que uma transição de fase de um estado metálico para um estado isolante pode ocorrer em menos de um femtossegundo - ou seja, em menos de um quatrilionésimo de segundo.

“Nossos resultados abrem uma maneira de investigar e influenciar especificamente processos ultrarrápidos em materiais fortemente correlacionados que vai além dos métodos anteriores”, diz Olga Smirnova do instituto Max Born e Berlin TU, premiada com o prêmio Mildred Dresselhaus do Centro de Imagens Ultrarrápidas de Hamburgo. . "Desenvolvemos assim uma ferramenta chave para acessar novos fenômenos ultrarrápidos em sólidos correlacionados."

Mais informações: Espectroscopia multidimensional de subciclo de materiais fortemente correlacionados, Nature Photonics (2024). DOI:10.1038/s41566-023-01371-1
Informações do diário: Fotônica da Natureza

Fornecido pelo Instituto Max Born de Óptica Não Linear e Espectroscopia de Pulso Curto (MBI)