Изучение квантовых материалов с помощью лазеров показывает, как связаны атомы

Все мы знаем, что если охладить воду, то она превратится в лед, перейдя из жидкого агрегатного состояния в твердое. Но как подобная перестройка выглядит на уровне мельчайших частиц вещества — атомов?

Изучение квантовых материалов с помощью лазеров показывает, как связаны атомы

Фазовые переходы — фундаментальная часть физики и химии. Например, мы все знакомы с разными фазами воды, но идея системы частиц, изменяющих то, как она выглядит и как ведет себя, действительно широко распространена в науке. И хотя нам известен результат превращения воды в лед, точный процесс приводит к образованию множества различных видов льда: иногда лед прозрачный, а иногда нет, и разница связана с тем, как вы его замораживаете. Таким образом, изучение того, как происходит фазовый переход, многое говорит нам о фундаментальной физике и о результирующих фазах с обеих сторон.

На уровне квантовой физики применима та же идея. Мы можем видеть изменение системы из одного состояния в другое, когда мы медленно изменяем температуру до критической. Например, мы можем видеть, что материал становится твердым, точно так же, как мы можем наблюдать за образованием льда. Но мы не видим деталей на атомарном уровне в том виде, в каком они происходят. В недавнем исследовании ученые смогли преодолеть это и открыть механизм демонстрирующий то, как атомы перестраиваются из одной фазы системы в другую в атомных (пикосекундных) масштабах времени.

В данной работе исследовался CeTe3. Он является частью более крупного класса материалов — трителлуридов редкоземельных элементов. Если вы посмотрите на его атомную структуру при высоких температурах, этот материал построен как сложенная сетка квадратов. При понижении температуры квадраты превращаются в прямоугольники. Это может произойти в двух направлениях (назовем их A и B), но материал выбирает только одно. Что зависит от случайности — местных напряжений и деформаций в материале, вызванных дефектами.

В эксперименте ученые использовали ультракороткие интенсивные лазерные импульсы, чтобы ненадолго вывести систему из ее прямоугольного состояния "А", и наблюдали, как она пытается реформировать. Поскольку нет особенно сильной движущей силы к любому из состояний прямоугольника, система сформировала прямоугольники A и B. Поскольку один из прямоугольников (в пикосекундных атомных шкалах времени) доминирует над другим, остаются небольшие лужи "неправильного" состояния, от которых трудно избавиться, и они сохраняются в течение наносекунд (в 100 раз дольше).

Эти результаты говорят нам о фундаментальных аспектах того, как происходят фазовые изменения, как различные части материалов "общаются" друг с другом, чтобы выровнять свои атомы так, чтобы структуры совпадали, и каков энергетический ландшафт, на котором все это происходит.

Когда мы знаем, что происходит с квантовыми материалами и как они меняют свое состояние на атомном уровне, мы можем использовать эти знания для разработки новых и лучших устройств, таких как аппараты МРТ, и улучшения компьютерной памяти.

Читайте также

Российский композит ускорит регенерацию тканей

Российский композит ускорит регенерацию тканей

Петербургские ученые придумали «мосты» между разными поколениями техники

Петербургские ученые придумали «мосты» между разными поколениями техники

МАИ разработал технологию облегчения самолетов на 25%

МАИ разработал технологию облегчения самолетов на 25%

Ошибка в цифровых сертификатах поставила под угрозу безопасность миллионов устройств

Ошибка в цифровых сертификатах поставила под угрозу безопасность миллионов устройств

ИИ OpenAI обнаружил критические уязвимости в PHP, угрожавшие миллионам сайтов

ИИ OpenAI обнаружил критические уязвимости в PHP, угрожавшие миллионам сайтов

Nvidia показала крошечных роботов-уток, которые ходят, делают сальто и падают на сцене

Nvidia показала крошечных роботов-уток, которые ходят, делают сальто и падают на сцене

Учёные раскрыли один из главных секретов высокотемпературной сверхпроводимости

Учёные раскрыли один из главных секретов высокотемпературной сверхпроводимости

Прошивка повышает ударопрочность композитов на 44%

Прошивка повышает ударопрочность композитов на 44%

Обзор iPhone 18 Pro Max: Apple A20 Pro, переменная диафрагма и лучшая автономность в истории серии

Обзор iPhone 18 Pro Max: Apple A20 Pro, переменная диафрагма и лучшая автономность в истории серии

Что происходит с физикой, когда вы прыгаете в вагоне поезда?

Что происходит с физикой, когда вы прыгаете в вагоне поезда?

Комета Галлея возвращается: почему её появление в 1986 году разочаровало миллионы людей и чего ждать в 2061-м

Комета Галлея возвращается: почему её появление в 1986 году разочаровало миллионы людей и чего ждать в 2061-м

Почему электромобилям не нужна коробка передач — и зачем Porsche все-таки ее использует?

Почему электромобилям не нужна коробка передач — и зачем Porsche все-таки ее использует?

NASA раскрыло финальный план миссии Artemis III: три ракеты и два лунных корабля

NASA раскрыло финальный план миссии Artemis III: три ракеты и два лунных корабля

Пентагон рассекретил сообщение о загадочном чёрном НЛО, летевшем со скоростью 2900 км/ч

Пентагон рассекретил сообщение о загадочном чёрном НЛО, летевшем со скоростью 2900 км/ч

Huawei представила Pura 90 Plus с необычным дизайном и камерой с переменной диафрагмой

Huawei представила Pura 90 Plus с необычным дизайном и камерой с переменной диафрагмой

Сквозь наше тело каждую секунду проходят миллиарды нейтрино — учёные объяснили, как они помогут раскрыть тайны Вселенной

Сквозь наше тело каждую секунду проходят миллиарды нейтрино — учёные объяснили, как они помогут раскрыть тайны Вселенной