Spotlight auf die verborgenen Eigenschaften von Quantenmaterialien

Bestimmte Materialien haben wünschenswerte Eigenschaften, die im Verborgenen liegen. So, wie man mit einer Taschenlampe im Dunkeln sehen kann, können Wissenschaftler diese Eigenschaften mit Licht aufdecken. Forschende an der University of California San Diego haben nun eine fortschrittliche optische Technik eingesetzt, um mehr über ein Quantenmaterial namens Ta₂NiSe₅ (TNS) zu erfahren. Ihre experimentelle Arbeit wurde von der MPSD-Theoriegruppe mit DFT-Berechnungen untermauert. Die Arbeit des Teams erscheint in Nature Materials.

Materialien können durch verschiedene äußere Reize gestört werden, oft durch Temperatur- oder Druckänderungen. Da Licht jedoch das schnellste Ding im Universum ist, reagieren Materialien sehr schnell auf optische Reize und offenbaren Eigenschaften, die sonst verborgen bleiben würden.

„Im Grunde genommen bestrahlen wir ein Material mit einem Laser, und es ist wie eine Stop-Action-Fotografie, bei der wir schrittweise eine bestimmte Eigenschaft des Materials verfolgen können“, sagte Physikprofessor Richard Averitt, der die Forschung leitete und einer der Autoren der Studie ist. „Indem wir uns ansehen, wie sich die einzelnen Teilchen in diesem System bewegen, können wir diese Eigenschaften herausfinden, die sonst nur schwer zu finden sind“.

Das Experiment wurde vom Hauptautor Sheikh Rubaiat Ul Haque durchgeführt, der 2023 seinen Abschluss an der UC San Diego gemacht hat und jetzt als Postdoktorand an der Stanford University tätig ist. Zusammen mit Yuan Zhang, einem weiteren Doktoranden in Averitts Labor, verbesserte er eine Technik namens Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie. Mit dieser Technik können Wissenschaftler die Eigenschaften eines Materials über eine Reihe von Frequenzen messen. Haques Verbesserungen ermöglichten ihnen den Zugang zu einem breiteren Frequenzbereich.

Die Arbeit basierte auf einer Theorie, die von einem anderen Autor der Studie, Eugene Demler, Professor an der ETH Zürich, entwickelt wurde. Demler und sein damaliger Doktorand Marios Michael (nun ein Postdoktorand am MPSD) entwickelten die Idee, dass bestimmte Quantenmaterialien, wenn sie durch Licht angeregt werden, zu einem Medium werden können, das Licht im Terahertzbereich verstärkt. Dies veranlasste Haque und Kollegen, die optischen Eigenschaften von TNS genauer zu untersuchen. 

Wenn ein Elektron durch ein Photon auf ein höheres Niveau angeregt wird, hinterlässt es ein Loch. Wenn das Elektron und das Loch gebunden sind, entsteht ein Exziton. Exzitonen können auch ein Kondensat bilden - ein Zustand, der eintritt, wenn Teilchen zusammenkommen und sich wie eine einzige Einheit verhalten.

Mit Haques Technik, unterstützt durch Demlers Theorie und unter Verwendung von Dichtefunktionalrechnungen der Gruppe von Angel Rubio am MPSD, konnte das Team eine anomale Terahertz-Lichtverstärkung beobachten, die einige der verborgenen Eigenschaften des TNS-Exziton-Kondensats aufdeckte.

Kondensate sind wohldefinierte Quantenzustände, und mit dieser spektroskopischen Technik könnten einige ihrer Quanteneigenschaften dem Licht aufgeprägt werden. Dies könnte Auswirkungen auf das aufkommende Gebiet der verschränkten Lichtquellen (bei denen mehrere Lichtquellen miteinander verbundene Eigenschaften haben) haben, die Quantenmaterialien verwenden.

„Ich denke, das ist ein weit offenes Feld“, sagte Haque. „Die Theorie von Demler kann auf eine Reihe anderer Materialien mit nichtlinearen optischen Eigenschaften angewendet werden. Mit dieser Technik können wir neue lichtinduzierte Phänomene entdecken, die bisher noch nicht erforscht worden sind.“
 

Gefördert durch das DARPA DRINQS Programm (D18AC00014), den Schweizerischen Nationalfonds (200021_212899), das Army Research Office (W911NF-21-1-0184), den Europäischen Forschungsrat (ERC-2015-AdG694097), den Exzellenzcluster 'Advanced Imaging of Matter' (AIM), Grupos Consolidados (IT1249-19), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (170620586) und das Flatiron Institute.

 

Text mit freundlicher Genehmigung von Michelle Franklin, UC San Diego Communications, mit Ergänzungen von Jenny Witt, MPSD Kommunikation und PR.