超晶体：由一阵光线产生的隐藏的物质相

“挫折”加上激光脉冲导致由宾夕法尼亚州立大学和阿贡国家实验室以及加州大学伯克利分校和其他两个国家实验室领导的研究小组创建了一个稳定的“超级晶体”。

这是具有长期稳定性的新物质状态的第一个例子之一，其由亚皮秒激光脉冲的能量变换。在能源部的支持下，该团队的目标是发现具有不寻常特性的有趣物质状态，这些物质本质上不存在均衡。

“我们正在寻找隐藏的物质状态，将物质从其舒适的状态中取出，我们称之为基态，”宾夕法尼亚州立大学的团队负责人，材料科学教授 Venkatraman Gopalan说 。“我们通过使用光子激发电子进入更高的状态，然后观察材料回落到正常状态来做到这一点。我们的想法是，在兴奋状态下，或者在通往基态的途中经过的状态，我们会找到我们希望拥有的属性，例如新的极性，磁性和电子状态。“

当激光在400纳米的波长下在样品上发射100飞秒的光子时，通过泵浦探针技术找到这些状态 - 蓝光。泵浦光将电子激发到更高的能量状态，并且很快跟随探测光，探测光是读取材料状态的更温和的光脉冲。团队面临的挑战是找到一种方法来维持物质的中间状态，因为状态可能只存在一小部分时间然后消失。然而，研究人员发现，在室温下，超晶体基本上永远停留在该状态。

Gopalan将这一挑战与将球从山边滚下来进行了比较。除非事情发生，否则在到达山脚之前它不会休息，比如一个壁架。团队通过“令系统受挫”来实现这一目标 - 不允许材料做它想做的事情，这样就可以让它在没有约束的情况下完全减少能量。

研究人员通过使用钛酸铅和钛酸锶这两种材料的单原子层做到了这一点，它们以交替的层叠在一起，形成一个三维结构。钛酸铅是一种铁电体，一种极性材料，具有电极化，导致材料中的正极和负极。钛酸锶不是铁电材料。这种不匹配迫使电极化矢量采取不自然的路径，弯曲回自身产生涡流，就像水沿着排水管旋转。

伯克利团队在晶体基板上生长这些层，其晶体在两层材料之间的中间尺寸。这提供了第二级“挫折”，因为钛酸锶层试图拉伸以符合基材的晶体结构，并且钛酸铅必须压缩以与其相符。这使得整个系统处于一种微妙但“沮丧”的状态，其中多个阶段随机分布在卷中。

在这一点上，研究人员用激光脉冲对材料进行了切割，激光脉冲在材料中释放出自由电荷，为系统增加了额外的电能，使其进入物质的新状态 - 超晶体。这些超晶体具有晶胞 - 晶体中最简单的重复单元 - 比任何普通无机晶体大得多，体积比原始两种材料的晶胞大一百万倍。材料本身就能找到这种状态。

与瞬态不同，这种超晶状态可能永远保持在室温下 - 在本研究中至少保持一年 - 除非它被加热到大约350华氏度的地方被擦除。可以通过用光脉冲击打材料并使用热擦除来重复该过程。这种状态只能通过具有一定最小阈值能量的超短激光脉冲产生，而不是通过长脉冲扩散该能量。

宾夕法尼亚州立大学和阿贡国家实验室共同分享的博士后学者Vlad Stoica和第一作者利用高能X射线衍射技术研究了超晶体形成前后的超晶体，清楚地显示了从无序物质到超晶体的转变。 。结果于今天(3月18日)在Nature Materials上在线报道。

“凭借其短脉冲持续时间，超快激光在材料中的激发比其固有的响应时间更快，”Stoica说。“虽然这种动态变化已经探索了数十年，以刺激材料的排序，但直到现在，它们的稳态稳定策略似乎已经无法实现。”

Argonne研究人员使用高分辨率X射线衍射结合纳米级成像来观察不可逆结构重新排序的演变。

他们说：“我们首次观察到，从相对混乱开始，人工分层极性材料的单次超快激光脉冲照射可以诱导远程结构完美。” “这一实验性示范已经激发了理论发展，并对未来实现传统制造无法实现的人造纳米材料具有重要意义。”

“高级光子源的X射线和超快光源的结合为我们提供了探索超晶体纳米级结构的最佳机会，同时也能够理解为什么材料可以从有序状态反复变为无序状态，”John说。 Freeland，“三维纳米周期超光学光学创造”的作者，阿贡国家实验室的科学家。“这些信息与建模一起，让我们深入了解了这一新阶段创建背后的物理学。”

陈龙庆 在宾夕法尼亚州的理论 小组使用相位软件包mu-PRO进行了计算机计算，该软件包密切模拟了实验结果。

“非常值得注意的是，我们的相场模拟能够预测超晶体的三维实空间图像，其衍射图案通常与实验模式相匹配，并为超晶体的稳定性确定一系列热力学条件。这种综合的实验和计算研究非常有用和富有成效，“陈说。