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Jun 11, 2023

Wissenschaftler erforschen Quantenmaterialien in tiefen Schichten

Die Terahertz-Emissionsspektroskopie hat sich als wertvolle Technik für herausgestellt

Die Terahertz-Emissionsspektroskopie hat sich als wertvolle Technik zur Untersuchung statischer physikalischer Eigenschaften sowie ultraschneller Dynamik in neuartigen Materialsystemen erwiesen, die anderen Sonden möglicherweise verborgen bleiben. In einem neuen Artikel in der Zeitschrift Light: Science & Applications überprüft ein Team von Wissenschaftlern des Los Alamos National Laboratory unter der Leitung von Hou-Tong Chen vom Center for Integrated Nanotechnologies des Labors eine Auswahl aktueller Studien, in denen Terahertz-Emissionsspektroskopie zur Entdeckung grundlegender Erkenntnisse eingesetzt wurde Eigenschaften und komplexes dynamisches Verhalten neuer Materialien. Dazu gehören Quantenmaterialien wie Supraleiter und Magnete sowie niedrigdimensionale Materialien wie Graphen und Metallnanostrukturen.

„Obwohl es eine Vielzahl nichtlinearer optischer Spektroskopien gibt, ermöglicht die Terahertz-Emission die Untersuchung von Materialeigenschaften und -dynamiken, die anderen Techniken verborgen bleiben könnten“, sagte Jacob Pettine, Materialwissenschaftler in Los Alamos und Mitautor der Arbeit. „Diese Methode ist daher für die Untersuchung neuartiger Materialien sehr wichtig geworden.“

Das zentrale Konzept der Terahertz-Emissionsspektroskopie ist die Gleichrichtung oder Umwandlung hochfrequenter optischer Felder in niederfrequente Ströme, ähnlich der Gleichrichtung, die erforderlich ist, um Wechselströme aus der Wand in Gleichströme umzuwandeln, die Haushaltsgeräte antreiben oder Batterien laden können . Jedem Gleichrichtungsprozess liegt eine gebrochene Symmetrie zugrunde – oft eine räumliche Spiegel-/Inversionssymmetrie, obwohl die Brechung der Zeitumkehrsymmetrie in magnetischen Systemen von entscheidender Bedeutung ist.

„Grundsätzlich erfordert die Emission von Terahertz-Strahlung eine bestimmte Richtung in Ihrem Material, in Raum und/oder Zeit“, bemerkte Co-Hauptautor Nicholas Sirica, ebenfalls aus Los Alamos. „Wenn man also Terahertz-Licht herausbekommt, verrät es einem sofort etwas über die Symmetrie des Systems.“

Co-Hauptautor Prashant Padmanabhan fügte hinzu: „Sie können dann detaillierte Einblicke in die Materialstruktur, die elektronischen und magnetischen Eigenschaften sowie die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie gewinnen, indem Sie das emittierte Terahertz-Feld als Reaktion auf unterschiedliche Polarisation, Frequenz oder Amplitude des einfallenden Lichts messen.“

Ein ergänzendes Thema, das in der Übersicht untersucht wird, ist das Zusammenspiel zwischen intrinsischer (d. h. atomarem Gitter) und extrinsischer (künstlich/nanoskaliger) Strukturierung, wobei künstliche Strukturierung neue Symmetrien einführen und Terahertz-Stromreaktionen verbessern kann, die ansonsten schwach oder verboten wären Eigen-/Massenmaterial. Bisher lag der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Erforschung komplexer Masseneigenschaften neu entstehender Quantenmaterialien oder komplizierter Verhaltensweisen, die in niedrigdimensionalen/nanostrukturierten Formen relativ einfacher Metalle, Halbmetalle oder Halbleiter auftreten können. Ein Versuch dieser Überprüfung besteht darin, Möglichkeiten an der Schnittstelle dieser Ideen hervorzuheben.

„In diesem Übersichtsartikel möchten wir einen Überblick über die wesentlichen Systeme und grundlegenden Mechanismen geben, die bisher mithilfe der Terahertz-Emission erforscht wurden“, bemerkte Chen. „Wir versuchen auch Möglichkeiten aufzuzeigen, solche Material- und Licht-Materie-Wechselwirkungssymmetrien in künstlich strukturierten Systemen zu entwerfen.“

Das Zusammenspiel zwischen intrinsischer, extrinsischer und hybrider Materialstrukturierung könnte die Entdeckung exotischer Eigenschaften und Phänomene jenseits bestehender Materialparadigmen anregen, heißt es in der Arbeit.

Finanzierung: Laborgesteuertes Forschungs- und Entwicklungsprogramm des Los Alamos National Laboratory. Diese Arbeit wurde teilweise im Center for Integrated Nanotechnologies durchgeführt, einer Benutzereinrichtung des Office of Science, die für das Office of Science des US-Energieministeriums betrieben wird.

Papier: Ultraschnelle Terahertz-Emission aus neu entstehenden Materialien mit gebrochener Symmetrie, Licht: Wissenschaft & Anwendung. Jacob Pettine, Prashant Padmanabhan, Nicholas Sirica, Rohit P. Prasankumar, Antoinette J. Taylor und Hou-Tong Chen