Badania ujawniają mechanizmy rządzące niesamowitymi przemianami fazowymi izolator–metal
Od odkrycia kwantowej natury światła i materii badacze nie ustają w wysiłkach, by zbadać złożoną dynamikę zjawisk wynikających z oddziaływania między nimi. Wyjaśnienie i zrozumienie tych oddziaływań doprowadziło do rozwoju licznych technologii, w tym zastosowania diod elektroluminescencyjnych czy urządzeń zbierających światło. Jednocześnie stworzyło to możliwość syntezy materiałów cechujących się zupełnie nowymi właściwościami na przykład w zakresie przewodności elektrycznej. Finansowany z programu działań „Maria Skłodowska-Curie” projekt StrongLights koncentrował się na lepszym zrozumieniu skutków ostrzeliwania materiału kwantowego ultrakrótkimi impulsami laserowymi o częstotliwości z zakresu bliskiej podczerwieni i nadfioletu. Elektrony w materiałach kwantowych oddziałują silnie z drganiami sieci krystalicznej, co prowadzi do powstawania fotoindukowanych przemian fazowych. Angel Rubio, koordynator projektu StrongLights, zauważa: „Naszym głównym celem było zbadanie kluczowych mikroskopowych czynników rządzących fotoindukowanymi przemianami fazowymi oraz kontrolowanie ich za pomocą ultrasilnych impulsów światła”.
Modelowanie struktury elektronowej materiału światłoczułego
Badacze przeprowadzili obliczenia „z pierwszych zasad” dla okresowych układów molekularnych. Wykonywana w nanoskali analiza zmian elektronowych i strukturalnych w pewnych materiałach osiągnęła już prawie prędkości przetwarzania superkomputerów. Szczególnym zainteresowaniem uczonych cieszył się kryształ molekularny (MeBr-DCNQI)2Cu, którego faza zmienia się w wyniku wzbudzenia światłem. Ten niskowymiarowy układ wykazuje w niskich temperaturach skłonność od odkształceń Peierls, co sprawia, że przechodzi z fazy izolatora w fazę metaliczną. Poczyniona obserwacja stanowiła punkt odniesienia do porównania struktury pasm elektronowych kryształu w wysokich i niskich temperaturach. W wysokich temperaturach kryształ cechował się też trzykrotnie większą komórką podstawową.
Główne czynniki powodujące fotoindukowane przemiany fazowe
Zespół wykazał, że siły odpychania kulombowskiego odgrywają zasadniczą rolę we właściwej charakterystyce właściwości strukturalnych i magnetycznych kryształu w niskotemperaturowej przemianie fazowej. Rubio zauważa: „Udało się nam wykazać potrzebę zaistnienia zaskakująco wysokiej stałej Hubbarda (U) dla sprzężonych układów molekularnych (tak zwanych układów pi). Tylko w takich warunkach udało się odtworzyć obserwowaną doświadczalnie w niskich temperaturach fazę separacji ładunku. Wartość występującego miejscowo oddziaływania kulombowskiego U była określana typową metodą prób i błędów oraz na podstawie przedstawionych niedawno obliczeń „z pierwszych zasad”. Wyniki dowiodły, że niestandardowe wartości stałej U dla układów sprzężonych cząsteczek organicznych kryształów to warunek konieczny dla lokalizacji wolnych par elektronowych. „Mimo że nie obliczyliśmy konkretnych wartości sprzężeń elektron–fonon, udało się nam wskazać zmiany geometryczne związane z fotoindukowanymi przemianami fazowymi w krysztale. To zasadniczy krok pozwalający zinterpretować mody drgań, które inicjują przemianę fazową podczas ogrzewania lub ochładzania układu”, dodaje Rubio.
Określanie właściwości elektronowych stanów wzbudzonych
Uczeni rozszerzyli metody lokalnych przybliżeń gęstości, by określić właściwości wzbudzenia elektronowego w krysztale, na przykład momenty dipolowe przemiany czy gęstości przemiany. Zespół zdołał dowieść, że ich nowy model ma zasadnicze znaczenie dla określania sprzężeń ekscytonów i co za tym idzie dynamiki przekazywania energii wzbudzenia rządzącej przemianami fazowymi izolator–metal. Nowo opracowana metoda została zaimplementowana z użyciem kodu Octopus. Uczeni pracują teraz nad technikami uczenia maszynowego, takimi jak regresja grzbietowa jądra czy głębokie sieci neuronowe, które pozwoliłyby określić widma wzbudzeń molekularnych w wydajny i przewidywalny sposób. „Ultrasilne impulsy laserowe to potężne narzędzie umożliwiające modyfikacje silnie skorelowanych materiałów. Dzięki kontrolowaniu nie tylko właściwości elektronowych stanu podstawowego, lecz także dynamiki elektronowych stanów wzbudzonych w kryształach światłoczułych udało się nam wykonać znaczny krok naprzód. Połączenie różnych impulsów światła umożliwiło nam uzyskanie nowych stanów metastabilnych, które wykazują intrygujące właściwości mające dalekosiężne implikacje dla materiałoznawstwa”, podsumowuje Rubio.
Słowa kluczowe
StrongLights, fotoindukowane przemiany fazowe, metal, właściwości elektronowe, izolator, ultrasilne impulsy światła, stany wzbudzone, uczenie maszynowe
