新研究描述一种特殊的量子材料在超快激光脉冲

Lex Kemper是北卡罗莱纳州立大学的物理学副教授。他研究量子材料：这是一种具有奇特物理特性的固体材料，使它们在计算或能源应用中发挥作用。Kemper是最近发表在《自然-通讯》杂志上的一篇论文的合著者，该论文描述了一种特殊的量子材料（Cerium tri-Telluride，即CeTe3）在超快激光脉冲作用下失衡时的相变。

该项目由密歇根州立大学的研究人员领导，另外还有来自西北大学和阿贡国家实验室的贡献者。Kemper解释了研究团队的发现，以及这一研究成果很重要的原因：相变是物理学和化学的一个基本环节。例如，我们都熟悉水的不同相，但这种由粒子组成的系统改变它的样子和行为方式的想法在科学中真的无处不在。而虽然我们知道水变成冰的结果，但精确的过程会导致许多不同种类的冰：有时冰是透明的，而有时不是，而差异与你如何冻结它有关。因此，研究相变是如何发生的，可以告诉我们很多关于基本物理学的知识，以及关于双方的结果。

在量子物理学层面，同样的想法也适用。当我们在临界温度上慢慢改变温度时，我们可以看到一个系统从一种状态到另一种状态的变化；例如，我们可以看到材料变得坚硬，就像我们可以看到冰的形成。但我们看不到原子水平上发生的细节。在这项工作中，我们能够克服这一点，并打开了一个窗口，了解原子如何在原子（皮秒）时间尺度上从系统的一个阶段重新排列到另一个阶段。

在这项特殊的工作中，我们研究了CeTe3。它是稀土三碲化物这一大类材料的一部分。如果你看一下它在高温下的原子结构，这种材料就像一张堆叠的方格网一样。随着温度的降低，方块变成了长方形。这种情况有两个方向（我们称它们为A和B），但材料只能选择一个方向。哪一个取决于偶然性--缺陷引起的材料中的局部应力和应变。

在实验中，我们用超短的强激光脉冲将系统短暂地从“A”的矩形状态中取出，并观察它是如何尝试“改造”的。由于对任何一个矩形状态都没有特别强的驱动力，系统同时形成了A和B两个矩形。当其中一个矩形（在皮秒原子时间尺度上）主导另一个矩形时，“错误”状态的小水坑就会留下，这些小水坑很难摆脱，并且会持续纳秒（100倍以上）。

这些结果告诉我们相变是如何发生的基本方面，材料的各个部分是如何相互“交谈”，使它们的原子对齐，从而使模式匹配，以及这一切发生的能量景观是什么。当我们知道量子材料发生了什么，以及它们如何在原子水平上改变它们的状态时，我们就可以利用这些知识来开发新的更好的设备，比如核磁共振成像机，以及更好的计算机存储器。

关注风火轮，技术之路常相伴，我们下期见！

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/zonghexinwen/2021/0329/619.html