Открыта новая форма плавления вещества
Эксперименты с соединениями редкоземельных металлов помогли физикам из «Сколтеха» и MIT открыть новую форму плавления материи, чьим «мотором» выступает свет, а не тепло. Их выводы были представлены в журнале Nature Physics.
«Теперь мы пытаемся создать искусственные аналоги подобных дефектов. Их можно использовать в качестве основы для системы хранения данных, которые будут записываться и стираться при помощи света», — рассказывает Альфред Цонг (Alfred Zong) из Массачусетского технологического института (США).
Почти все элементы и химические соединения, существующие во Вселенной, могут принимать четыре разных агрегатных формы материи – превращаться в твердое тело, жидкость, газ и плазму. Эти превращения, так называемые фазовые переходы, уже много столетий изучаются физиками, и пока ученые не могут уверенно сказать, что они полностью понимают все подобные процессы.
К примеру, ученые еще не совсем понимают, почему возникают пузырьки внутри жидкости при кипении воды, как она превращается в лед, и где находится точка, при которой сверхохлажденная вода не может существовать в жидком виде.
Цонг и его коллеги, в том числе Павел Долгирев и Александр Рожков из «Сколтеха» в Москве, открыли новую форму плавления материи, экспериментируя с крайне необычным аналогом льда или других твердых материалов, так называемой «волной зарядовой плотности».
Под этим словом ученые понимают особый характер распределения электронов по толще того или иного материала, при котором носители отрицательного заряда объединяются в небольшие «кучки» и ведут себя как часть своеобразной стоячей волны. Подобные структуры из электронов, как давно заметили физики, похожи по своему устройству на кристаллические твердые тела.
Российские и зарубежные физики изучали свойства подобных волн, возникающих внутри пластинок из теллурида лития, материала, широко применяемого сегодня в создании преобразователей тепла в электричество.
Для этого ученые обстреливали этот материал короткими, но мощными вспышками лазера, «сбивавшими» электроны с насиженного места и заставлявшими их двигаться. Как надеялись ученые, наблюдения за разрушением волн зарядовой плотности должны были помочь им раскрыть новые тайны плавления различных кристаллических материалов.
Вместо этого они открыли новый тип фазовых переходов, о существовании которых ученые раньше говорили, но не могли их «увидеть». Оказалось, что при достаточно мощных вспышках лазера волны начинали особым образом «плавиться», разрушаясь не равномерно, как это обычно происходит при таянии льда, а в результате появления «точечных» дефектов в их структуре.
Эти дефекты, как отмечают ученые, похожи на то, как если бы при плавлении «обычных» твердых веществ на их поверхности появлялось множество микроскопических воронок. Они мешают движению электронов внутри материалов с волнами зарядовой плотности и разбивают их на части.
Наблюдая за «плавлением» этих волн и их восстановлением, ученые выяснили, как на этот процесс влияет мощность вспышек и их продолжительность, что необходимо для поиска и создания искусственных материалов с аналогичными свойствами. Они, как предполагают физики, могут быть использованы в качестве носителей информации и других целей.
Резюме:
При возбуждении интенсивным лазерным импульсом основное состояние с разбивкой симметрии может проходить неравновесный фазовый переход по путям, отличным от путей в тепловом равновесии. Механизм, лежащий в основе этих фотоиндуцированных фазовых переходов, давно исследован при исследовании систем с конденсированными веществами1, но многие детали этого сверхбыстрого, неадиабатического режима еще предстоит выяснить. С этой целью мы исследуем индуцированное светом плавление однонаправленной волны плотности заряда (CDW) в LaTe3. Используя набор зондов с временным разрешением, мы независимо отслеживаем амплитудную и фазовую динамику CDW. Мы обнаруживаем, что быстрое (приблизительно 1 пикосекундное) восстановление амплитуды ВЗП сопровождается медленным восстановлением фазовой когерентности. Эта более длительная временная шкала диктуется наличием топологических дефектов: порядок тормозится и восстанавливается только тогда, когда дефекты аннигилируются. Наши результаты обеспечивают основу для понимания других фотоиндуцированных фазовых переходов путем идентификации генерации дефектов в качестве управляющего механизма.
Evidence for topological defects in a photoinduced phase transition