Verborgene Phasen in Quantenmaterialien: Ein Schlüssel zur nächsten Generation der Datenspeicherung
Das 21. Jahrhundert ist das Datenzeitalter. In unserer modernen, datengetriebenen Welt benötigen wir bessere Möglichkeiten zur Datenspeicherung. Während aktuelle Technologien, wie die magnetische Aufzeichnung, an ihre Grenzen stoßen, könnten neue Materialien, sogenannte Quantenmaterialien, jedoch spannende neue Möglichkeiten zur Datenspeicherung bieten.
Eine Möglichkeit, diese Materialien zu nutzen, sind sogenannte metastabile verborgene Zustände, welche nur durch sehr kurze optische oder elektrische Pulse erreicht werden können. Trotz intensiver Forschung bleiben jedoch die grundlegenden Prozesse, die den dynamischen Weg zu versteckten Phasen bestimmen, ein weitgehend offenes Thema.
Ein internationales Team von Physiker*innen vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, dem Jožef-Stefan-Institut in Ljubljana, der Stanford University und der Technischen Universität Berlin hat diese versteckten Zustände in einem spezifischen Quantenmaterial untersucht. Sie verwendeten extrem kurze Laserpulse, um diese Zustände auszulösen und studierten dann die Elektronen im Inneren des Materials.
Sie stellten fest, dass der Übergang in den versteckten Zustand sehr schnell erfolgt und bemerkten auch, dass die Schwingungen der Materialstruktur eine große Rolle bei diesem Übergang spielen. Wenn diese Schwingungen stark genug sind, können sie dazu führen, dass das Material in den versteckten Zustand übergeht.
Das Team fand auch heraus, dass sie diese Schwingungen und damit den Übergang in den versteckten Zustand durch einen zweiten Laserpuls steuern können. Diese Entdeckung ist ein wichtiger Beitrag zum Verständnis verborgener Zustände, einer Voraussetzung zur Nutzung dieser Quantenmaterialien zur Datenspeicherung.
Der Takt des Kristallgitters
Im Detail hat das Team einen metastabilen, verborgenen Zustand im prototypischen Quantenmaterial 1T-TaS2 untersucht. Sie haben ultrakurze optische und extrem ultraviolette (XUV) Laserpulse, die viel kürzer als ein billionstel einer Sekunde (Picosekunde) sind, in einem stroboskopischen Experiment angewendet und die von dem XUV-Laserpuls emittierten Photoelektronen mit einer Technik namens zeit- und winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (trARPES) aufgezeichnet, die einen direkten Blick auf die sich im Material bewegenden Elektronen während des Übergangs ermöglicht.
Die Entdeckung eines überraschend schnellen Übergangs in die verborgene Phase, in Verbindung mit auffälligen Oszillationen der Elektronensignaturen, deutet auf eine entscheidende Rolle kohärenter, kollektiver Gitterschwingungen im Phasenübergang hin - d.h. eine durch den ultrakurzen Laserpuls in Gang gesetzte konzertierte Gitterschwingung. Diese Schwingung - wenn sie stark genug angeregt wird - führt zu einer großen Menge an Unordnung im Material, die die richtigen Bedingungen für das Auftreten der verborgenen Phase schafft.
Um die Bedeutung dieser Schwingungen für den Phasenübergang weiter zu belegen, haben sie als nächstes ein optisches Anregungsschema mit mehreren Pulsen verwendet, bei dem ein zweiter Pumpenlaserpuls die Gitterschwingungen je nach ihrer Verzögerung verstärkt oder unterdrückt. Der hohe Grad an kohärenter Kontrolle über den Umschaltprozess zur verborgenen Phase, der in diesen Experimenten gefunden wurde, liefert überzeugende Beweise für die Schlüsselrolle der kollektiven Amplitudenmode als Treiber des Übergangs.
