Ultra hızlı lazer darbeleri bir malzemenin gizli durumunu ortaya çıkarıyor

Bir malzemeyi, bir elektrik yalıtkanından, ona hiç dokunmadan anında iletken bir duruma dönüştürmek için ne gerekir? ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Bilim Ofisi’nin DOE’nin Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki kullanıcı tesisi olan Ulusal Sinkrotron Işık Kaynağı II’deki (NSLS-II) bilim insanları, ultra hızlı lazer darbeleri ve güçlü X-ışınları kullanarak “gizli” fazlar oluşturmak ve neden çalıştıklarını anlamak için bir metodoloji geliştirdiler.

Bu araştırma yalnızca maddenin gizli durumunu ve temel etkileşimlerini ortaya çıkarmakla kalmıyor, aynı zamanda gelecekteki elektronik ve kuantum teknolojileri için malzemeleri kontrol etmenin yeni yollarına da işaret ediyor. Çalışmaları yakın zamanda yayınlandı Fiziksel İnceleme X.

Araştırmanın merkezinde manyetodirençli manganitler adı verilen ilginç bir kuantum malzemeleri sınıfı yer alıyor. Doğru koşullar sağlandığında, dış uyaranlarla özellikleri ve davranışları tamamen değişebilir. Bu durumda ekip, bir malzemeyi, elektriğin akamadığı yalıtkan bir durumdan iletken bir duruma “değiştirmek” için 100 femtosaniye (saniyenin yüz katrilyonda biri) süren kısa lazer ışığı patlamaları kullandı.

Yumuşak Esnek Olmayan X-ışını Saçılımı (SIX) ışın hattında ışın çizgisi bilimcisi Jonathan Pelliciari, “Anahtarlama mekanizması gerçekten hızlı, bugün sahip olduğumuz tüm elektronik cihazlardan çok daha hızlı” dedi. “Elektrotlar veya akımlar kullanmak yerine sadece ışık kullanıyoruz.”

Önceki çalışmalar, ışığın belirli materyaller üzerinde parlamasının bu tür dönüşümleri tetikleyebileceğini göstermiş olsa da, materyalin içinde gerçekte ne olduğu ve bunun neden olduğu büyük ölçüde belirsizliğini koruyor. Bu soruları yanıtlamak için ekip iki tamamlayıcı X-ışını tekniğini kullandı: rezonans esnek olmayan X-ışını saçılımı (RIXS) ve SIX ışın hattında X-ışını absorpsiyon spektroskopisi (XAS).

Lazer darbesi değişimi tetiklerken, X ışınları malzemeyi mikroskobik düzeyde inceleyerek elektronik yapısının nasıl geliştiğini ortaya çıkarıyor. Yerinde aktarım ölçümleriyle birlikte bu araçlar, ışığın malzemeyi, geleneksel ısıtmayla üretilen metalik fazdan farklı, daha önce erişilemeyen, termal olmayan iletken bir duruma yönlendirdiğini göstermektedir. Bu aşamaya sıradan termal süreçlerle ulaşılamadığı için araştırmacılar bunu “gizli” aşama olarak tanımlıyor.

Kuantum alemine adım atmak

Daha da ilginci, ışığın neden olduğu durum hemen ortadan kaybolmuyor. Bunun yerine, lazer darbesi gittikten sonra uzun süre devam ediyor, bu da daha temel bir termodinamik stabilite özelliğine işaret ediyor. Malzemeyi değiştirdiğinizde, onu geri döndürmek için başka bir dış uyaran uygulanana kadar bir süre aynı durumu korursunuz. Bir materyali değiştirme ve yeni bir durumda tutma yeteneği, bilginin farklı fiziksel durumlarda kodlandığı veri depolama veya hesaplamadaki olası uygulamaları akla getirir.

Bu araştırma aynı zamanda, isteğe bağlı olarak tetiklenebilecek iki farklı fiziksel durum gerektiren kuantum sistemleri olan kübitlerin geliştirilmesi yoluyla daha hızlı ve daha güçlü bilgisayarlar ve cihazlar oluşturmak için sıra dışı kuantum özelliklerinden yararlanmayı amaçlayan, büyüyen kuantum bilgi bilimi alanıyla da bağlantı kuruyor.

Bu çalışmanın baş yazarı ve Inelastic X-ray Scattering (IXS) ışın hattında ışın çizgisi bilimcisi olan Shiyu Fan, “Işık, termal döngüye veya statik elektrik ve manyetik alanlara dayalı geleneksel yaklaşımlara göre kuantum malzemesini değiştirmek için daha doğrudan ve seçici bir yol sunuyor” dedi.

“Lazer, numuneyi basitçe ısıtmak yerine, sistemi termal olmayan farklı bir duruma sürükleyebilir. Bir malzemenin fazını kontrol ederken ilişkili kuantum karakterini koruyabilme yeteneği, gelecekteki kuantum cihaz tasarımı için önemli olabilir.”

Işık neden avantaj sağlıyor?

Pratik avantajlar da var. Şu anda bir malzemenin durumunu değiştirmek için kullanılan geleneksel termal yöntemler, hassas ilişkili durumları yıkayarak kuantum davranışını bozabilir ve bu da daha az güvenilir cihazlara yol açabilir. Ultra hızlı lazer darbeleri ise aksine, yalnızca toplu ısıtmaya dayanmadan faz değişikliklerini tetikleyebilir ve malzemeyi kontrol etmek için daha seçici bir yol sunar.

Mevcut sistem, malzemeyi orijinal durumuna döndürmek için hala ısıtmaya ihtiyaç duysa da, gelecekteki çalışmalar, farklı dalga boylarındaki ışığı kullanarak süreci tersine çevirmenin yollarını keşfederek araştırmacıları tamamen kontrol edilebilir, ışıkla çalışan cihazlara yaklaştırabilir.

NSLS-II’de yeteneklerin genişletilmesi

Deney, bilimsel bulguların ötesinde, NSLS-II’de gelişen ve büyüyen bir yetenek olan gelişmiş lazer sistemlerinin birden fazla ışın hattı boyunca entegrasyonunu vurguluyor. Bu çalışmada kullanılan taşınabilir ultra hızlı lazer, farklı deney istasyonları arasında paylaşılarak geniş bir zaman çözümlemeli ölçüm aralığına olanak sağlanabilir. Bu yetenekler, araştırmacıların yalnızca malzemelerin nasıl yapılandırıldığını değil, aynı zamanda ultra hızlı dönüşümler sırasında elektronların ve atomların nasıl hareket ettiğini ve etkileşime girdiğini de incelemesine olanak tanır.

Bu yaklaşım aynı zamanda son derece kısa ömürlü durumları yakalamada başarılı olan serbest elektron lazerleri gibi diğer büyük tesislerdeki araştırmaları da tamamlıyor. NSLS-II’de bilim insanları bunun yerine olağanüstü yüksek enerji çözünürlüğüne sahip daha uzun ömürlü aşamalara odaklanarak malzeme davranışının son derece ayrıntılı bir görünümünü sunabiliyorlar.

Araştırmacılar ışığın maddenin gizli aşamalarını nasıl ortaya çıkarabileceğini ve kontrol edebileceğini keşfetmeye devam ettikçe, yeni elektronikleri, kuantum destekli cihazları ve daha hızlı bilgi işlemi keşfetmek için yeni yollar ortaya çıkıyor.