揭示量子材料的隐藏特性

某些材料具有隐藏的理想特性，就像您在黑暗中使用手电筒看东西一样，科学家可以利用光来揭示这些特性。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员使用先进的光学技术来了解有关称为 Ta 2 NiSe 5 (TNS) 的量子材料的更多信息。他们的工作发表在《自然材料》杂志上。

材料可能会受到不同的外部刺激的干扰，通常会随着温度或压力的变化而变化;然而，由于光是宇宙中最快的东西，材料会对光学刺激做出非常快的反应，从而揭示原本隐藏的特性。

“本质上，我们将激光照射在材料上，这就像定格摄影，我们可以逐步跟踪该材料的某些特性，”领导这项研究的物理学教授理查德·阿弗里特(Richard Averitt)说，他也是该论文的作者之一。“通过观察组成粒子如何在该系统中移动，我们可以梳理出这些很难通过其他方式找到的特性。”

该实验由主要作者 Sheikh Rubaiat Ul Haque 进行，他于 2023 年毕业于加州大学圣地亚哥分校，现在是斯坦福大学的博士后学者。他与阿弗里特实验室的另一位研究生张远一起改进了一种称为太赫兹时域光谱的技术。这项技术使科学家能够测量材料在一定频率范围内的特性，而哈克的改进使他们能够获得更广泛的频率范围。

这项工作基于该论文的另一位作者、苏黎世联邦理工学院教授尤金·德姆勒 (Eugene Demler) 创建的理论。德姆勒和他的研究生马里奥·迈克尔提出了这样的想法：当某些量子材料被光激发时，它们可能会变成一种放大太赫兹频率光的介质。这促使 Haque 和同事仔细研究了 TNS 的光学特性。

当电子被光子激发到更高的水平时，它会留下一个空穴。如果电子和空穴结合，就会产生激子。激子也可能形成凝聚态——当粒子聚集在一起并表现为单一实体时出现的一种状态。

使用哈克的技术，在德姆勒的理论的支持下，并使用马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的安吉尔·卢比奥团队的密度泛函计算，该团队能够观察到异常的太赫兹光放大，从而揭示了太赫兹光的一些隐藏特性。 TNS 激子凝聚体。

凝聚态是一种明确定义的量子态，使用这种光谱技术可以将它们的一些量子特性印在光上。这可能会对利用量子材料的纠缠光源(其中多个光源具有互连特性)的新兴领域产生影响。

“我认为这是一个广阔的领域，”哈克说。“德姆勒的理论可以应用于一系列具有非线性光学特性的其他材料。通过这项技术，我们可以发现以前从未探索过的新的光诱导现象。”