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华山

物理学家用光创造了一种新的物质状态

善良的死神

    

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  如果将一束光照射到某种材料上,然后这种材料就形成了一种新的物质状态,那是一种怎样的景象?通常来说,我们通过利用化学变化、改变压力或磁场来改变某种材料的。但在一项新的研究中,物理学家利用光做到了这一点。

  我们知道,对任何材料来说,给它增添能量(例如加热),几乎都能使材料结构的有序性变得更低。以水为例,它的固体冰状态是具有晶体结构的,而当我们将它加热融化成液态的水之后,它就完全变成了无序状态。

  而就在这项新的研究中,物理学家发现了正好相反的情况:当一种名为三碲化镧(LaTe₃)的材料被激光短脉冲击中时,材料中的一种名为电荷密度波的模式就会以一种高度有序的状态变成一种全新的电荷密度波,这与预期中会变成无序状态完全相反。这一意外的发现或许能有助于揭示各种材料中的一些不为人知的特性。


由激光诱发的电荷密度波的艺术构想图:波状网格表示的是材料的晶格因为电荷密度波的形成而产生的扭曲,蓝色的发光小球代表光子。图片的中央是原来的电荷密度波,它被一个激光脉冲波所抑制,新的电荷密度波以垂直于它的方向出现。 图片来源:Alfred Zong / MIT

  参与了这项研究的 17 位物理学家将他们的发现发表在了 11 月 11 日的《自然物理》杂志上。

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  三碲化镧是一种能自然形成分层结构的材料。这种材料具有一种特殊的特性,当它被冷却到某个特定温度以下时,电子就会自发地将自己组织成一个电荷密度高低相间的电荷密度波。这有别于普通材料的电子密度在整个体积中是恒定的现象。不过在三碲化镧内部,这种电荷密度的波状模式也仅限于沿着一个单一方向。在另外两个维度中,电荷密度就像在普通材料中那样维持不变。

  但是,当用一个超快的激光短脉冲(不到一皮秒)撞击三碲化镧时,这种电荷密度波的模式就会消失,而一个与原来的电荷密度波成直角的新的电荷密度波就会出现。

  过去,人们从未发现这种材料具有这种新的、垂直的电荷密度波。研究人员观测到,这种垂直的电荷密度波在激光之后短暂地存在,在几皮秒(10⁻秒)的时间内就会消失。当它消失时,原来的电荷密度波又会再次出现在视野中。这表明在某种程度上看,在与激光的相互作用中,原来的电荷密度波被新的压制住了。

  研究人员认为这很不寻常——因为在大多数情况下,当给一种材料增加能量时,它的有序性会降低。而看上去,这两种电荷密度波就像是在相互竞争——当一种出现时,另一种就消失。他们意识到,这一现象中最重要的概念,或许就是“相的竞争”。

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  在量子材料中,认为物质的两种可能的相或许处于一种竞争状态,且其主导态会抑制另一种或另外几种态的观点是很普遍的。这表明,如果能找到一种抑制主导态的方法,那么在许多物质中可能都潜藏着未被发现的潜在态。

  实验中所出现的这些相互竞争的电荷密度波所表现出的似乎就是这样一种情况。研究人员将这些电荷密度波类比为晶体结构,因为都具有可预测的有序模式。

  通常,所有稳定的材料都处于它们的最低能量状态,也就是说,在它们的原子和分子的所有可能构型中,它们处在的是只需要最低能量就能维持自身的一种状态。

  但是对于一个既定的化学结构来说,这种物质的其他构型可能也具有最低能状态,只是它们或许被占主导地位的最低能态所抑制住了。

  就像在这个实验中所展现的那样,通过用激光消除主导态,其他态便开始显现。即便新状态的出现和消失速度都非常快,但这意味着,这种状态是可以通过操控而被“打开”或“关闭”的。这样一种特性对某些信息处理应用程序来说或许非常有用。

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  对其他相的抑制或许能揭示出全新的材料特性,为许多新的研究领域打开大门。研究人员要做的是要找到只能在平衡状态被打破的情况下存在的物质的相。换句话说,他们需要找到能够压制住物质中主相的方法,才能“解锁”新的状态,比如在这个实验中使用的是激光短脉冲与三碲化镧之间的作用。

  新的发现或许有助于更好地理解多相竞争在其他系统中的作用。这反过来又有助于去探寻一些问题,比如为什么有的材料可以在相对较高的温度下产生超导性,它也可以帮助我们探索并发现具有更高温度的超导体。

  参考来源:http://news.mit.edu/2019/light-orders-exotic-material-1111

当前文章:http://www.xnlab.com/news/116762.html

发布时间:05:46:52

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