Скрытые состояния материи
Скрытое состояние материи — это состояние материи , которого нельзя достичь в эргодических условиях, и поэтому оно отличается от известных термодинамических фаз материала. [1] [2] Примеры существуют в системах конденсированного состояния и обычно достигаются с помощью неэргодических условий, создаваемых посредством лазерного фотовозбуждения. [3] [4] Короткоживущие скрытые состояния материи также были обнаружены в кристаллах с помощью лазеров. Недавно стойкое скрытое состояние было обнаружено в кристалле сульфида тантала(IV) (TaS 2 ), где состояние стабильно при низких температурах. [2] Скрытое состояние материи не следует путать со скрытым порядком , который существует в равновесии, но не сразу очевиден и не легко наблюдаем.
Используя ультракороткие лазерные импульсы, воздействующие на твердое вещество, [3] система может быть выбита из равновесия, так что отдельные подсистемы потеряют равновесие не только друг с другом, но и внутри себя. В таких условиях могут создаваться новые состояния материи, которые иначе невозможно достичь при равновесной, эргодической эволюции системы. Такие состояния обычно нестабильны и распадаются очень быстро, обычно за наносекунды или меньше. [4] Трудность состоит в том, чтобы отличить настоящее скрытое состояние от состояния, которое просто находится вне теплового равновесия. [5]
Вероятно, первый случай фотоиндуцированного состояния описан для органического молекулярного соединения TTF-CA, которое превращается из нейтральной формы в ионную в результате возбуждения лазерными импульсами. [4] [6] [7] Однако подобное преобразование возможно и при приложении давления, поэтому, строго говоря, фотоиндуцированный переход не является скрытым состоянием согласно определению, данному во вводном абзаце. Еще несколько примеров приведены в ссылке. [4] Было показано, что фотовозбуждение приводит к устойчивым состояниям ванадатов. [8] [9] и манганитовые материалы, [10] [11] [12] что приводит к нитевидным путям модифицированной упорядоченной фазы заряда, которая поддерживается проходящим током. о переходной сверхпроводимости также сообщалось В купратах . [13] [14]
Фотовозбужденный переход в состояние H.
[ редактировать ]Гипотетическая принципиальная схема перехода в состояние H при фотовозбуждении представлена на рисунке (после [4] ). Поглощенный фотон переводит электрон из основного состояния G в возбужденное состояние E (красная стрелка). Состояние E быстро релаксирует посредством релаксации Франка-Кондона к промежуточному локально переупорядоченному состоянию I. Благодаря взаимодействиям с другими состояниями такого типа это состояние коллективно упорядочивается с образованием макроскопически упорядоченного метастабильного состояния H, в результате чего еще больше снижается его энергия. Новое состояние имеет нарушенную симметрию по отношению к состоянию G или E, а также может включать дополнительную релаксацию по сравнению с состоянием I. Барьер E B не позволяет состоянию H вернуться в основное состояние G. Если барьер достаточно велик по сравнению с тепловой энергией k B T, где k B - постоянная Больцмана , состояние H может быть стабильным бесконечно.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Итикава, Нодзава, Сато, Токуши; Ичиянаги, Кохей; Герен, Ники; Каваллери, Андреа; Косихара, Шин-я (2011). «Переходная фотоиндуцированная «скрытая» фаза в » . манганите Хироши, Ясуси; Тамаки, Рё ; . Бибкод : 2011NatMa..10..101I . doi : 10.1038/nmat2929 . ISSN 1476-1122 . PMID 21240287 .
- ^ Jump up to: а б Стойчевска, Л.; Васьковский И.; Мертель, Т.; Кусар, П.; Светин Д.; Бразовский С.; Михайлович, Д. (2014). «Сверхбыстрый переход в стабильное скрытое квантовое состояние в электронном кристалле». Наука . 344 (6180): 177–180. arXiv : 1401.6786 . Бибкод : 2014Sci...344..177S . дои : 10.1126/science.1241591 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 24723607 . S2CID 206550327 .
- ^ Jump up to: а б Токура, Ёсинори (2006). «Фотоиндуцированный фазовый переход: инструмент для создания скрытого состояния материи». Журнал Физического общества Японии . 75 (1): 011001. Бибкод : 2006JPSJ...75a1001T . дои : 10.1143/JPSJ.75.011001 . ISSN 0031-9015 .
- ^ Jump up to: а б с д и Насу, К. Фотоиндуцированные фазовые переходы . World Scientific, Сингапур (2004 г.).
- ^ Мияно, К.; Танака, Т.; Томиока, Ю.; Токура, Ю. (1997). «Фотоиндуцированный переход изолятор-металл в перовскит-манганите». Письма о физических отзывах . 78 (22): 4257–4260. Бибкод : 1997PhRvL..78.4257M . doi : 10.1103/PhysRevLett.78.4257 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Косихара, С.; Токура, Ю.; Митани, Т.; Сайто, Г.; Кода, Т. (1990). «Фотоиндуцированная валентная нестабильность в органическом молекулярном соединении тетратиафульвален-п-хлоранил (TTF-CA)». Физический обзор B . 42 (10): 6853–6856. Бибкод : 1990PhRvB..42.6853K . дои : 10.1103/PhysRevB.42.6853 . ISSN 0163-1829 . ПМИД 9994804 .
- ^ Окамото, Х.; Ишиге, Ю.; Танака, С.; Кисида, Х.; Иваи, С.; Токура, Ю. (2004). «Фотоиндуцированный фазовый переход в тетратиафульвален-п-хлораниле, наблюдаемый с помощью спектроскопии фемтосекундного отражения». Физический обзор B . 70 (16): 165202. Бибкод : 2004PhRvB..70p5202O . дои : 10.1103/PhysRevB.70.165202 . ISSN 1098-0121 .
- ^ Каваллери, А.; Тот, Cs.; Сайдерс, CW; Сквайер, Дж.А.; Ракси, Ф.; Забудь, П.; Киффер, Дж. К. (2001). «Фемтосекундная структурная динамика в VO2 во время сверхбыстрого фазового перехода твердое тело-твердое тело». Письма о физических отзывах . 87 (23): 237401. Бибкод : 2001PhRvL..87w7401C . doi : 10.1103/PhysRevLett.87.237401 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 11736474 .
- ^ Томимото, С.; Миясака, С.; Огасавара, Т.; Окамото, Х.; Токура, Ю. (2003). «Сверхбыстрое фотоиндуцированное плавление орбитального порядка в LaVO 3 » (PDF) . Физический обзор B . 68 (3): 035106. Бибкод : 2003PhRvB..68c5106T . дои : 10.1103/PhysRevB.68.035106 . hdl : 2241/101634 . ISSN 0163-1829 .
- ^ Такубо, Н.; Огимото, Ю.; Накамура, М.; Тамару, Х.; Идзуми, М.; Мияно, К. (2005). «Постоянный и обратимый полностью оптический контроль фазы в тонкой пленке манганита». Письма о физических отзывах . 95 (1): 017404. Бибкод : 2005PhRvL..95a7404T . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.017404 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Михайлович, Драган (2016). «Настройка фазовых диаграмм». Природные материалы . 15 (9): 930–931. дои : 10.1038/nmat4744 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 27554989 .
- ^ Чжан, Цзинди; Тан, Сюэлян; Лю, Мэнкун; Тейтельбаум, Юго-Запад; Пост, КВт; Цзинь, Фэн; Нельсон, Калифорния; Басов, Д.Н.; Ву, Вэньбинь; Аверитт, Р.Д. (2016). «Кооперативный фотоиндуцированный метастабильный фазовый контроль в напряженных пленках манганита». Природные материалы . 15 (9): 956–960. arXiv : 1512.00436 . Бибкод : 2016NatMa..15..956Z . дои : 10.1038/nmat4695 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 27400387 . S2CID 205413818 .
- ^ Ю, Г.; Ли, Швейцария; Хигер, Эй Джей; Херрон, Н.; Маккаррон, Э.М. (1991). «Переходная фотоиндуцированная проводимость в монокристаллах YBa 2 Cu 3 O 6.3 : фотолегирование до металлического состояния». Письма о физических отзывах . 67 (18): 2581–2584. Бибкод : 1991PhRvL..67.2581Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.67.2581 . hdl : 10371/13779 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10044462 .
- ^ Фаусти, Д.; Тоби, Род-Айленд; Дин, Н.; Кайзер, С.; Динст, А.; Хоффманн, MC; Пион, С.; Такаяма, Т.; Такаги, Х.; Каваллери, А. (2011). «Светоиндуцированная сверхпроводимость в полосчатом купрате». Наука . 331 (6014): 189–191. Бибкод : 2011Sci...331..189F . дои : 10.1126/science.1197294 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 21233381 . S2CID 206529723 .