Cornell mühendisliği araştırmacıları, düşük frekanslı kızılötesi ışığın ultra hızlı darbeleri ile sentetik bir ince filmi zapping yaparak, kafesinin atomik olarak genişlemesine ve bir malzemenin elektronik, manyetik veya optik özellikleri üzerinde hızlı bir şekilde geçiş yapabilen yoldan tahrikli “solunum” ine neden olabileceğini gösterdiler.
Araştırma şurada yayınlandı Fiziksel İnceleme Mektupları. Makalenin ortak lider yazarları eski doktora sonrası araştırmacı Jakob Gollwitzer ve doktora öğrencisi Jeffrey Kaaret.
Geri germek için bir malzemenin gerilmesi ve ezilmesi, özelliklerini manipüle etmek için yaygın bir yöntemdir, ancak bu amaç için ışık kullanmak daha az incelenmiştir, Materyal Bilimi ve Mühendislik Doçenti Nicole Benedek’e göre, projeyi Cornell Mühendisliğinde Malzeme Bilimi ve Mühendislik Doçenti olan Andrej Singer ile birlikte yönetti.
Benedek, “Teori tarafında, ışıkla bir şey yapmaya çalıştığınızda hemen çok karmaşıklaşıyor.” Dedi. “Bir malzeme ışıkla etkileşime girdiğinde, ayrıntılı bir seviyede neler olduğunu gerçekten bilmiyoruz ve bu nedenle bir model oluşturmak için deneylerden olabildiğince fazla bilgi edinmeye çalışmalısınız.”
Benedek, doğru malzeme ile birlikte, tersine çevrilebilecek “dinamik” bir zorlama elde edecek optimal ışık frekansını ve diğer deneysel parametreleri tahmin etmek için hesaplama teorisini kullandı.
Benedek, “Normalde, gerilme altında malzemeleri yetiştirdiğimizde, malzeme sentezlendikten sonra, işte bu, suş değişemez. Sadece orada,” dedi Benedek. “Ama bu dinamik suş şekilde çok kısa bir değişiklik ve sonra ortadan kalkıyor.”
Araştırmacılar, esasen fononlarla aynı düşük frekansta, fotonların sonik eşdeğeri olan bir tür kafes titreşimi olan ve ses dalgaları olarak malzemeden hareket eden bir tür kafes titreşimi olan Terahertz ışığının pikosaniye patlamalarını ateşleyerek istenen deformasyonu alabileceklerini belirlediler.
“Atom, salıncaktaki bir çocuk gibi pozisyonunun etrafında sallanabilir,” dedi Singer. “Eğer doğru frekansta sallanırsanız, bu atomun genliğini artırabilirsiniz ve tam olarak yaptığımız şey budur. Frekansı ayarlarız ve kafesin hızlı bir şekilde genişlemesine neden olan belirli bir atom hareketini uyarırız. Işık, aksi halde mümkün olmayacak tamamen yeni bir malzeme durumu oluşturur.”
Araştırmacıların bu süreçle eşleştirmek için doğru materyale ihtiyacı vardı. İnce filmler gittikçe çok gösterişli olmayan lantanim alüminatını seçtiler. Aslında, oldukça sıkıcı.
Bu yüzden seçtiler.
Benedek, “Normal durumunda, gerçekten heyecan verici bir mülk yok.” Dedi. “Teori çok zor olduğu için, olabildiğince basit bir şey istedik ve bu malzemede ışık topluluğundan ilgi vardı. Bu yüzden seçtik çünkü hayatımızı kolaylaştıracaktı. Ama sonra çok ilginç olduğu ortaya çıktı.”
Ekip, materyali oksit moleküler ışın epitaksi yoluyla sentezleyen Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde (Cornell Mühendisliği) Tisch Üniversitesi Profesörü Darrell Schlom’a döndü. Deney, Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi (SLAC) Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki ortak çalışanlar tarafından serbest elektron lazeri ile gerçekleştirildi.
Analiz, terahertz ışığının ultra hızlı patlamaları ile fononların zaptasyonunun öngörülen suşu indüklediğini doğruladı. Ama hepsi bu değil: Araştırmacılar, sürecin Lanthanum Aluminat’ın yapısını kalıcı olarak geliştirdiğini keşfettiler.
Grubu X-ışını karakterizasyonunu gerçekleştiren Singer, “Bu beklemediğimiz bir şeydi,” dedi. “Bu özel malzeme, farklı şekillerde yönlendirilmiş ve alan sınırı ile ayrılmış aynı yapıların alanlarına sahiptir. Heyecanlı fononlar, bu alan sınırında oluşan ve film yüzeyinde yanal olarak yayılan yeni bir yapı yaratır. Daha kristal, daha düzenli bir duruma neden oluruz.”
Tüm malzemelerin sınırları vardır ve sadece çok fazla gerilebilir ve sıkıştırılabilir. Ancak düşük frekanslı ışık kullanmak artık aynı malzemede iki farklı durum arasında geçiş yapmak, elektronik ve manyetik özellikleri açmak ve kapatmak ve süperiletkenlik için yapısal yeniden düzenlemeleri indüklemek gibi yeni fırsatlar açıyor.
Singer, “Teori, sentez ve karakterizasyon kombinasyonu, ışığın karmaşık oksit malzemeler ailesi ve standart yöntemlerle mümkün olanın ötesinde erişim özellikleri ile nasıl etkileşime girdiğini anlamamızı sağlar.” Dedi.
