Os materiais quânticos exibem propriedades emergentes notáveis quando são excitadas por fontes externas. No entanto, esses estados excitados decaem rapidamente quando a excitação é removida, limitando suas aplicações práticas. Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Harvard e do Instituto Paul Scherrer PSI agora demonstrou uma abordagem para estabilizar esses estados fugazes e investigar seu comportamento quântico usando flashes de raios-X brilhantes dos laser de elétrons livres de raios-X Swissfel em PSI. As descobertas são publicadas na revista Materiais naturais.
Alguns materiais exibem propriedades quânticas fascinantes que podem levar a tecnologias transformadoras, desde eletrônicas sem perdas a baterias de alta capacidade. No entanto, quando esses materiais estão em seu estado pure, essas propriedades permanecem ocultas e os cientistas precisam pedir gentilmente para que apareçam. Uma maneira de fazer isso é usar pulsos de luz ultrashet para alterar a estrutura microscópica e as interações eletrônicas nesses materiais, para que essas propriedades funcionais emergem. Mas as coisas boas não duram para sempre – esses estados induzidos pela luz são transitórios, normalmente persistem apenas alguns picossegundos, dificultando o aproveitamento de aplicações práticas. Em casos raros, os estados induzidos pela luz ficam de vida longa. No entanto, nossa compreensão desses fenômenos permanece limitada, e não existe uma estrutura geral para projetar estados excitados que duram.
Uma equipe de cientistas da Universidade de Harvard, juntamente com os colegas do PSI, superou esse desafio, manipulando a simetria dos estados eletrônicos em um composto de óxido de cobre. Usando o Swissfel a laser de elétrons livres de raios-X no PSI, eles demonstraram que a excitação óptica personalizada pode induzir um estado eletrônico ‘não metástico’ metaestável ‘que persiste para vários nanossegundos-cerca de mil vezes mais do que geralmente duram.
Elétrons de direção com luz
O composto em estudo, SR14Cu24O41 -A chamada escada do Cuprate-é quase unidimensional. É composto por duas unidades estruturais distintas, as chamadas escadas e cadeias, representando a forma na qual se organizam átomos de cobre e oxigênio. Essa estrutura unidimensional oferece uma plataforma simplificada para entender fenômenos físicos complexos que também aparecem em sistemas de alta dimensão. “Este materials é como a nossa mosca de frutas. É a plataforma idealizada que podemos usar para estudar fenômenos quânticos gerais”, comenta a matéria condensada experimental Matteo Mitrano, da Universidade de Harvard, que lidera o estudo.
Uma maneira de obter um estado de não equilíbrio (‘metaestável’) de longa duração é prendê-lo em um poço de energia do qual não tem energia suficiente para escapar. No entanto, essa técnica corre o risco de induzir transições de fase estrutural que alteram o arranjo molecular do materials, e isso é algo que Mitrano e sua equipe queriam evitar. “Queríamos descobrir se havia outra maneira de bloquear o materials em um estado não equilíbrio por meio de métodos puramente eletrônicos”, explica Mitrano. Por esse motivo, foi proposta uma abordagem alternativa.
Neste composto, as unidades de corrente mantêm uma alta densidade de carga eletrônica, enquanto as escadas estão relativamente vazias. No equilíbrio, a simetria dos estados eletrônicos impede qualquer movimento de cargas entre as duas unidades. Um pulso a laser com manifestação com precisão quebra essa simetria, permitindo que as cargas quantum do túnel das correntes até as escadas. “É como ligar e desligar uma válvula”, explica Mitrano. Depois que a excitação do laser é desligada, o túnel que conecta escadas e correntes é desligado, cortando a comunicação entre essas duas unidades e prendendo o sistema em um novo estado de longa duração por algum tempo que permita que os cientistas medam suas propriedades.
Sondas de raios X rápidas de ponta
Os pulsos de raios-X de femtossegundos ultra-brilhantes gerados no Swissfel permitiram que os processos eletrônicos ultra-rápidos que governassem a formação e a subsequente estabilização do estado metaestável fossem capturados em ação. Utilizando uma técnica conhecida como dispersão inelástica de raios-X inelásticos resolvidos no tempo (TR-RIXs) na estação ultimate do Swissfel Furka, os pesquisadores podem obter uma visão única das excitações magnéticas, elétricas e orbitais-e sua evolução ao longo do tempo-revelando propriedades que geralmente permanecem ocultas para outras probamas.
“Podemos ter como alvo especificamente os átomos que determinam as propriedades físicas do sistema”, comenta Elia Razzoli, líder do grupo da estação de Furka e responsável pela configuração experimental.
Essa capacidade foi essencial para dissecar o movimento eletrônico induzido pela luz que deu origem ao estado metaestável. “Com essa técnica, poderíamos observar como os elétrons se moviam em sua escala de tempo extremely -rápida intrínseca e, portanto, revelam a metaestabilidade eletrônica”, acrescenta Hari Padma, estudioso de pós -doutorado em Harvard e principal autor do artigo.
O primeiro de muitos mais por vir
O TR-RIX fornece uma visão única da dinâmica de energia e momento de materiais excitados, abrindo novas oportunidades científicas para usuários da Swissfel no estudo de materiais quânticos; De fato, esses resultados vêm do primeiro experimento conduzido por um grupo de usuários no novo Furka EndStation. Foi o interesse no desenvolvimento de TR-Rixs em Furka que motivou a equipe de Harvard a colaborar com os cientistas da PSI. “É uma rara oportunidade de ter tempo em uma máquina onde você pode fazer esse tipo de experimento”, comenta Mitrano.
Desde esse experimento piloto inicial, o Furka Endstation passou por atualizações para melhorar a resolução de energia do RIXS e está pronto para estudar novos tipos de excitações individuais e coletivas, como excitações de treliça. “Esse experimento foi muito importante para mostrar o tipo de experimento que podemos realizar. A estação ultimate e sua instrumentação já estão muito melhores agora, e continuaremos melhorando”, conclui Razzoli.
Este trabalho representa um grande passo à frente no controle de materiais quânticos longe do equilíbrio, com amplas implicações para tecnologias futuras. Ao estabilizar estados não equilíbrios induzidos pela luz, o estudo abre novas possibilidades para projetar materiais com funcionalidades ajustáveis. Isso pode permitir dispositivos optoeletrônicos extremely -rápidos, incluindo transdutores que convertem sinais elétricos em luz e vice -versa – componentes -chave para comunicação quântica e computação fotônica. Ele também oferece um caminho para o armazenamento de informações não voláteis, onde os dados são codificados em estados quânticos criados e controlados pela luz.
