超快激光脉冲产生的以前看不见的物相

艺术家对光感应电荷密度波（CDW）的印象。波浪状网格代表由于CDW形成而导致的材料晶格结构变形。发光的球体代表光子。在中间，短暂的激光脉冲会抑制原始的CDW，而新的CDW（在右侧）则与第一个成直角出现。

向任何材料添加能量（例如通过加热）几乎总是会使其结构变得不规则。例如，具有晶体结构的冰融化成液态水，完全没有次序。

但是在麻省理工学院和其他地方的物理学家进行的新实验中，情况恰恰相反：当某种材料中的一种称为电荷密度波的图案被快速的激光脉冲击中时，就会产生一个全新的电荷密度波-一种高度有序的状态，而不是预期的无序状态。令人惊讶的发现可能有助于揭示各种材料中看不见的特性。

麻省理工学院教授Nuh Gedik和Pablo Jarillo-Herrero，博士后Anshul Kogar，研究生Alfred Zong和MIT哈佛大学其他17人在一篇论文中，今天（2019年11月11日）在《自然物理学》杂志上报道了这一发现。斯坦福大学SLAC国家加速器实验室和Argonne国家实验室。

实验使用了一种名为三碲化镧的材料，该材料自然会自身形成层状结构。在这种材料中，高密度和低密度区域中的电子呈波状图案自发形成，但仅限于材料内的单个方向。但是，当受到超快的激光脉冲（不到皮秒长或不到一万亿分之一秒）的撞击时，该模式（称为电荷密度波或CDW）被消除，而新的CDW与原始激光束成直角，应运而生。

这种新的垂直CDW在此材料中从未见过。它只存在一个瞬间，在几皮秒内消失。随着它的消失，原来的那个重新出现了，这表明它的存在被新的那个以某种方式压制了。

Gedik解释说，在普通材料中，材料中电子的密度在整个体积中都是恒定的，但是在某些材料中，当它们冷却到某些特定温度以下时，电子将自己组成具有高低电子密度交替区域的CDW 。在三碲化镧（LaTe3）中，CDW沿材料内的一个固定方向移动。与其他材料一样，在其他两个维度中，电子密度保持恒定。

Gedik说，从未见过在这种材料中观察到激光爆炸后出现的CDW的垂直形式。Kogar说，“它只是短暂地闪烁，然后消失了”，取而代之的是原始的CDW模式，该模式立即弹出显示。

Gedik指出：“这很不寻常。在大多数情况下，当您向一种材料添加能量时，您会减少订单。”

Kogar说：“这两种CDW似乎在竞争-当其中一种出现时，另一种消失了。”“我认为这里真正重要的概念是阶段竞争。”

研究人员说，在物质中，两种可能的物质状态可能处于竞争状态，而主导模式正在抑制一种或多种其他模式的想法在量子材料中很普遍。这表明，如果可以找到抑制显性状态的方法，则可能会揭露许多潜伏状态潜伏在许多物质中。在这些竞争性CDW状态的情况下似乎正在发生这种情况，由于其亚原子成分的可预测，有序模式，它们被认为类似于晶体结构。

通常，所有稳定的材料都处于其最低能量状态-即，在其原子和分子的所有可能构型中，该材料稳定在需要最少能量以维持自身状态的状态。但是对于给定的化学结构，材料可能具有其他可能的构型，除了它们被主要的最低能量状态所抑制。

格迪克说：“通过用光消除那个主导状态，也许可以实现那些其他状态。”而且由于新状态的出现和消失如此之快，因此“您可以打开和关闭它们”，这对于某些信息处理应用程序可能很有用。

Kogar说，抑制其他相可能揭示出全新的材料特性的可能性打开了许多新的研究领域。他说：“目标是找到只能存在于不平衡状态的材料相。”换句话说，如果没有一种方法（例如这种快速激光脉冲系统）来抑制主导相，就不可能达到这些状态。

Gedik补充说：“通常，要改变材料的相，您可以尝试化学变化，压力或磁场。在这项工作中，我们使用光来进行这些更改。”

新发现可能有助于更好地理解阶段竞争在其他系统中的作用。反过来，这可以帮助回答一些问题，例如为什么某些材料会在相对较高的温度下发生超导，并可能有助于发现甚至更高温度的超导体。物质，这种新的状态应运而生？

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参考：“ LaTe3中的光致电荷密度波”，作者：Anshul Kogar，Alfred Zong，Pavel E.Dolgirev，沉晓哲，Joshua Straquadine，别亚青，王希瑞，蒂姆·罗维尔，董成成，杨亚芳，李仁凯，杨洁，斯蒂芬·韦瑟斯比，苏吉公园，迈克尔·科齐纳，埃德伯特·西耶，温海丹，巴勃罗·贾里洛·埃雷罗，伊恩·费舍尔，王希杰和努·吉迪克，2019年11月11日，自然物理学.DOI：
10.1038 / s41567-019-0705-3

这项工作得到了美国能源部，SLAC国家加速器实验室，Skoltech-MIT NGP计划，激子学中心以及戈登和贝蒂摩尔基金会的支持。