พัฒนาการของการถ่ายภาพด้วยแฟลชแฟลชความเร็วสูงในทศวรรษ 1960 โดยศาสตราจารย์ Harold “Doc” Edgerton จาก MIT ทำให้เราเห็นภาพเหตุการณ์ที่เร็วเกินไปสำหรับดวงตา — กระสุนเจาะแอปเปิ้ลหรือ หยดน้ำ ที่กระทบสระน้ำนม
ด้วยการใช้ชุดเครื่องมือสเปกโตรสโกปีขั้นสูง นักวิทยาศาสตร์ที่ MIT และมหาวิทยาลัยเท็กซัสในออสตินได้จับภาพสแน็ปช็อตของเฟส metastable ที่เกิดจากแสงซึ่งซ่อนจากจักรวาลสมดุลได้เป็นครั้งแรก ด้วยการใช้เทคนิค single-shot spectroscopy บนคริสตัล 2 มิติที่มีการมอดูเลตความหนาแน่นของอิเล็กตรอนระดับนาโน พวกเขาสามารถดูการเปลี่ยนแปลงนี้ได้แบบเรียลไทม์
“ด้วยงานนี้ เรากำลังแสดงให้เห็นถึงการเกิดและวิวัฒนาการของเฟสควอนตัมที่ซ่อนอยู่ซึ่งเกิดจากชีพจรเลเซอร์เกินขีดในคริสตัลที่มอดูเลตทางอิเล็กทรอนิกส์” Frank Gao PhD ’22 ผู้เขียนร่วมในบทความเกี่ยวกับงานที่กำลังดำเนินการอยู่กล่าว postdoc ที่ UT Austin
Zhuquan Zhangผู้เขียนร่วมและนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาเคมีของ MIT ในปัจจุบันกล่าวเสริมว่า “โดยปกติแล้ว การฉายแสงเลเซอร์บนวัสดุจะเหมือนกับการให้ความร้อน แต่ไม่ใช่ในกรณีนี้” “ที่นี่ การฉายรังสีของคริสตัลจะจัดเรียงลำดับอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ สร้างเฟสใหม่ที่แตกต่างจากอุณหภูมิที่สูงอย่างสิ้นเชิง”
บทความเกี่ยวกับงานวิจัยชิ้นนี้เผยแพร่ในวันนี้ในScience Advances โครงการนี้ร่วมกันโดยKeith A. Nelson , Haslam และ Dewey Professor of Chemistry ที่ MIT และโดยEdoardo Baldiniผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่ UT-Austin
เลเซอร์โชว์
“การทำความเข้าใจที่มาของเฟสควอนตัมที่แพร่กระจายได้นั้นมีความสำคัญต่อการแก้ปัญหาพื้นฐานที่มีมายาวนานในอุณหพลศาสตร์ที่ไม่สมดุล” เนลสันกล่าว
“กุญแจสู่ผลลัพธ์นี้คือการพัฒนาวิธีการเลเซอร์อันล้ำสมัยที่สามารถ ‘สร้างภาพยนตร์’ ของกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในวัสดุควอนตัมด้วยความละเอียดเวลา 100 femtoseconds” เพิ่ม Baldini
วัสดุแทนทาลัมไดซัลไฟด์ประกอบด้วยชั้นแทนทาลัมและอะตอมของกำมะถันที่จับโควาเลนต์ที่เรียงซ้อนกันอย่างหลวมๆ ภายใต้อุณหภูมิวิกฤต อะตอมและอิเล็กตรอนของรูปแบบวัสดุจะเข้าสู่โครงสร้างระดับนาโน “สตาร์ออฟเดวิด” ซึ่งเป็นการกระจายอิเล็กตรอนแบบไม่เป็นทางการที่เรียกว่า “คลื่นความหนาแน่นของประจุ”
การก่อตัวของเฟสใหม่นี้ทำให้วัสดุเป็นฉนวน แต่พัลส์แสงที่รุนแรงเพียงจุดเดียวที่ส่องประกายจะผลักวัสดุให้กลายเป็นโลหะที่ซ่อนอยู่ที่แพร่กระจายได้ “มันเป็นสถานะควอนตัมชั่วคราวที่หยุดนิ่งในเวลา” Baldini กล่าว “ผู้คนเคยสังเกตระยะซ่อนเร้นที่เกิดจากแสงนี้มาก่อน แต่กระบวนการควอนตัมที่เร็วมากที่อยู่เบื้องหลังการกำเนิดนั้นยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด”
เนลสันกล่าวเสริมว่า “ความท้าทายหลักประการหนึ่งคือการสังเกตการเปลี่ยนแปลงที่รวดเร็วมากจากคำสั่งทางอิเล็กทรอนิกส์แบบหนึ่งเป็นคำสั่งทางอิเล็กทรอนิกส์ที่อาจคงอยู่อย่างไม่มีกำหนดนั้นไม่สามารถทำได้จริงกับเทคนิคที่มีการแก้ไขเวลาแบบเดิม”
พัลส์ของความเข้าใจ
นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับการแยกพัลส์เลเซอร์โพรบตัวเดียวออกเป็นพัลส์โพรบที่แตกต่างกันหลายร้อยพัลส์ ซึ่งทั้งหมดมาถึงตัวอย่างในเวลาที่ต่างกันก่อนและหลังการเปลี่ยนเริ่มต้นด้วยพัลส์กระตุ้นที่แยกจากกัน โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงในแต่ละพัลส์ของโพรบเหล่านี้หลังจากที่สะท้อนจากหรือส่งผ่านตัวอย่าง จากนั้นจึงรวมผลการวัดเข้าด้วยกันเหมือนเฟรมแต่ละเฟรม พวกเขาสามารถสร้างภาพยนตร์ที่ให้ข้อมูลเชิงลึกระดับจุลภาคเกี่ยวกับกลไกที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงได้
โดยการจับภาพไดนามิกของการเปลี่ยนแปลงเฟสที่ซับซ้อนนี้ในการวัดแบบครั้งเดียว ผู้เขียนได้แสดงให้เห็นว่าการหลอมเหลวและการเรียงลำดับใหม่ของคลื่นความหนาแน่นของประจุนำไปสู่การก่อตัวของสถานะที่ซ่อนอยู่ การคำนวณเชิงทฤษฎีโดย Zhiyuan Sun ซึ่งเป็น postdoc ของ Harvard Quantum Institute ยืนยันการตีความนี้
ในขณะที่การศึกษานี้ดำเนินการกับวัสดุเฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่ง นักวิจัยกล่าวว่าวิธีการเดียวกันนี้สามารถนำมาใช้เพื่อศึกษาปรากฏการณ์แปลกใหม่อื่นๆ ในวัสดุควอนตัมได้ การค้นพบนี้อาจช่วยในการพัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการตอบสนองต่อแสงตามความต้องการ
ผู้เขียนคนอื่นๆ ในบทความนี้ ได้แก่ แจ็ค หลิวนักศึกษาปริญญาโทสาขาเคมีภาควิชาฟิสิกส์ MRL Mitsui รองศาสตราจารย์ด้านการพัฒนาอาชีพโจเซฟ จี. เช็คเคลสกี้ ; Linda Ye PhD ’20 ปัจจุบันเป็น postdoc ที่ Stanford University; และYu-Hsiang Cheng PhD ’19 ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยแห่งชาติไต้หวัน
การสนับสนุนสำหรับงานนี้จัดทำโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐ สำนักงานวิทยาศาสตร์พลังงานขั้นพื้นฐาน โครงการริเริ่ม EPiQS ของมูลนิธิกอร์ดอนและเบ็ตตี้มัวร์ และมูลนิธิ Robert A. Welch
