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Jun 11, 2023

Gli scienziati sondano i materiali quantistici a livelli profondi

Terahertz-emission spectroscopy has emerged as a valuable technique for

La spettroscopia di emissione terahertz è emersa come una tecnica preziosa per studiare le proprietà fisiche statiche e le dinamiche ultraveloci che si verificano in nuovi sistemi materiali, che potrebbero rimanere nascosti ad altre sonde. In un nuovo articolo sulla rivista Light: Science & Applications, un team di scienziati del Los Alamos National Laboratory guidati da Hou-Tong Chen del Center for Integrated Nanotechnologies del laboratorio esamina una selezione di studi recenti che hanno utilizzato la spettroscopia di emissione terahertz per scoprire basi proprietà e comportamenti dinamici complessi dei materiali emergenti. Questi includono materiali quantistici come superconduttori e magneti, nonché materiali a bassa dimensionalità, come il grafene e le nanostrutture metalliche.

"Sebbene esista una varietà di spettroscopie ottiche non lineari, l'emissione terahertz consente di sondare proprietà e dinamiche dei materiali che possono rimanere nascoste ad altre tecniche", ha affermato Jacob Pettine, scienziato dei materiali a Los Alamos e coautore dell'articolo. "Questo metodo è quindi diventato molto importante per interrogare nuovi materiali."

Il concetto centrale della spettroscopia di emissione terahertz è la rettifica, o conversione, di campi ottici ad alta frequenza in correnti a bassa frequenza, simile alla rettifica necessaria per convertire le correnti alternate dalla parete in correnti continue che possono alimentare dispositivi domestici o caricare batterie. . Alla base di qualsiasi processo di rettifica c’è una simmetria rotta – spesso una simmetria spaziale speculare/inversione, sebbene la rottura della simmetria con inversione temporale diventi fondamentale nei sistemi magnetici.

"Al livello più elementare, l'emissione di radiazioni terahertz richiede una sorta di direzionalità nel materiale, nello spazio e/o nel tempo", ha osservato il co-autore principale Nicholas Sirica, anche lui di Los Alamos. "Quindi, se emetti una luce terahertz, ti dice immediatamente qualcosa sulla simmetria del sistema."

Il co-autore principale Prashant Padmanabhan ha aggiunto: "È quindi possibile ottenere informazioni dettagliate sulla struttura del materiale, sulle proprietà elettroniche e magnetiche e sulle interazioni luce-materia misurando il campo terahertz emesso in risposta alla diversa polarizzazione, frequenza o ampiezza della luce incidente".

Un tema complementare esplorato nella revisione è l'interazione tra la strutturazione intrinseca (ovvero, reticolo atomico) ed estrinseca (artificiale/nanoscala), in cui la strutturazione artificiale può introdurre nuove simmetrie e migliorare le risposte di corrente terahertz che potrebbero essere altrimenti deboli o proibite nel sistema. materiale intrinseco/sfuso. Finora, l’enfasi è stata principalmente posta sull’esplorazione delle complesse proprietà di massa dei materiali quantistici emergenti o dei comportamenti complessi che possono verificarsi in forme a bassa dimensione/nanostrutturate di metalli, semimetalli o semiconduttori relativamente semplici. Uno sforzo di questa revisione è quello di evidenziare le opportunità all’intersezione di queste idee.

"In questo documento di revisione, miriamo a fornire una panoramica dei sistemi essenziali e dei meccanismi di base esplorati finora tramite l'emissione di terahertz", ha osservato Chen. "Cerchiamo anche di evidenziare opportunità per progettare tali simmetrie di interazione tra materiali e luce-materia in sistemi strutturati artificialmente."

L'interazione tra la strutturazione materiale intrinseca, estrinseca e ibrida può stimolare la scoperta di proprietà e fenomeni esotici che vanno oltre i paradigmi materiali esistenti, osserva l'articolo.

Finanziamento: Programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio del Los Alamos National Laboratory. Questo lavoro è stato svolto, in parte, presso il Center for Integrated Nanotechnologies, una struttura per gli utenti dell'Office of Science gestita per l'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Carta: Emissione Terahertz ultraveloce da materiali emergenti con simmetria interrotta, luce: scienza e applicazione. Jacob Pettine, Prashant Padmanabhan, Nicholas Sirica, Rohit P. Prasankumar, Antoinette J. Taylor e Hou-Tong Chen