Sonnerie d’une onde électronique : un phason massif insaisissable observé dans une onde de densité de charge


Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont détecté l’existence d’une onde de densité de charge d’électrons qui acquiert de la masse lorsqu’elle interagit avec les ions de réseau de fond du matériau sur de longues distances.

Cette nouvelle recherche, dirigée par le professeur adjoint Fahad Mahmood (Physique, Laboratoire de recherche sur les matériaux) et le postdoc Soyeun Kim (postdoc actuel au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SLAC National Accelerator Laboratory), est une mesure directe du mécanisme d’Anderson-Higgs ( d’acquisition de masse) et la première démonstration connue d’un phason massif dans un matériau à ondes de densité de charge, une prédiction faite il y a plus de 40 ans.

Leur article, « Observation d’un phason massif dans un isolant d’onde de densité de charge », avec ces résultats, a été récemment publié dans Matériaux naturels.

Les excitations collectives des phases condensées de la matière jouent souvent un rôle fondamental dans le développement de théories fondamentales pour une Crumpa de matériaux, y compris les supraconducteurs, les aimants quantiques et les ondes de densité de charge. Dans un métal simple, les électrons sont répartis uniformément dans l’espace ; la densité électronique en un point de l’espace est égale à celle d’un autre point de l’espace. Dans certains métaux, cependant, la densité électronique développe un motif sinusoïdal (onde) (une onde de densité de charge). Mahmood explique que, considérant l’onde de densité de charge comme figée dans l’espace, si l’onde est perturbée, elle va « sonner » (c’est-à-dire que ses excitations collectives sont générées). Il peut sonner par un changement dans l’amplitude du modèle d’onde, ou l’onde de densité de charge peut glisser d’avant en arrière (déphasage). L’excitation collective ultérieure est appelée le phaseon et est similaire aux ondes sonores dans un matériau – elle a une masse négligeable.

Il y a plus de 40 ans, les chercheurs ont prédit que si le phason interagissait fortement avec le réseau d’ions de fond sur de longues distances (interactions de Coulomb à longue portée), il essaierait alors d’entraîner les ions lourds lors de son déplacement. En conséquence, le phason aura besoin de beaucoup plus d’énergie pour le faire bouger – on dit que le phason « acquiert de la masse ». On pense que cette acquisition de masse d’un phason se produit en raison du même mécanisme par lequel toutes les particules massives fondamentales de l’univers acquièrent de la masse (un phénomène connu sous le nom de mécanisme d’Anderson-Higgs). L’observation directe de cette acquisition de masse est restée insaisissable, principalement parce que les interactions coulombiennes à longue portée n’existent pas dans la plupart des matériaux à ondes de densité de charge.

Le matériau utilisé dans cette recherche, l’iodure de tantale et de sélénium ((TaSe4)2I), est un très bon isolant à basse température et est l’un des isolants les plus connus pour les ondes de densité de charge. Pour cette raison, des interactions de Coulomb à longue portée sont susceptibles d’être présentes dans le système et ces interactions peuvent donner de la masse à l’excitation autrement sans masse. En théorie, si le matériau est chauffé, il deviendrait moins isolant, les interactions de Coulomb s’affaibliraient et le phason massif deviendrait sans masse.

Mahmood, Kim et leurs collaborateurs ont pu étudier le phason d’onde de densité de charge dans (TaSe4)2I en développant une technique optique non linéaire connue sous le nom de spectroscopie d’émission térahertz (THz) dans le domaine temporel à basse température (moins de 10 K, -442° F). En utilisant cette technique, une impulsion laser infrarouge ultra-rapide, d’une durée inférieure à 150 fs (1 fs est un millionième de milliardième de seconde), a été projetée sur le (TaSe4)2J’échantillonne, générant les excitations collectives du système. Ce qu’ils ont détecté était le phason massif rayonnant dans la région de fréquences THz, avec une bande passante très étroite. Lorsqu’ils ont chauffé le matériau, le phason massif est devenu sans masse (a cessé de rayonner), ce qui correspond aux prédictions théoriques de longue date.

Alors que (TaSe4)2I est propice à l’hébergement d’un phason massif, cela peut être un matériau très difficile à travailler car il se développe sous forme d’aiguilles très fines, ce qui rend l’alignement des échantillons très difficile. Kim a décrit le processus « comme essayer de faire briller une lumière sur le côté d’une baguette ». Collaborateur de cette recherche, Daniel Shoemaker (professeur associé, MatSE, UIUC), a pu grandir (TaSe4)2I cristaux de largeur sensiblement importante, ce qui a permis l’application de la spectroscopie d’émission THz sur ce matériau.

« Il est gratifiant de voir qu’un mode collectif prédit il y a de nombreuses années est enfin vu expérimentalement », a commenté Patrick Lee, professeur de physique William & Emma Rogers au MIT, et l’un des pionniers des travaux théoriques prédisant le phason massif en charge ondes de densité. « Cela témoigne de la puissance des techniques optiques non linéaires modernes et de l’ingéniosité des expérimentateurs. La méthode est générale et nous pouvons également voir des applications à d’autres modes collectifs. »

Au niveau appliqué, la génération d’un rayonnement à bande étroite dans la région des fréquences THz peut être très difficile. Cependant, en raison du rayonnement THz à bande passante étonnamment étroite résultant du phason massif dans (TaSe4)2I, la possibilité de le développer (et d’autres matériaux similaires) en tant qu’émetteur THz est assez prometteur. La fréquence et l’intensité de cette émission THz peuvent potentiellement être contrôlées en faisant varier les propriétés de l’échantillon, en appliquant des champs magnétiques externes ou une contrainte.

Mahmood résume : « Il s’agit de la première démonstration connue d’un phason massif dans un matériau à ondes de densité de charge et résout la question de longue date de savoir si un phason à ondes de densité de charge acquiert de la masse en se couplant à des interactions de Coulomb à longue portée. C’est un résultat majeur. cela aura un impact profond sur le domaine des matériaux fortement corrélés et sur la compréhension de l’interaction entre les interactions, l’ordre des ondes de densité et la supraconductivité dans les matériaux. »

Yinchuan Lv (étudiant diplômé, Physique, UIUC), Xiao-Qi Sun (postdoc, Physique, UIUC), Chengxi Zhao (étudiant diplômé, MatSE/MRL, UIUC), Nina Bielinski (étudiant diplômé, Physique/ MRL, UIUC), Azel Murzabekova (étudiant diplômé, Physique/MRL, UIUC), Kejian Qu (étudiant diplômé, Physique/MRL, UIUC), Ryan A. Duncan (postdoc, Stanford PULSE Institute/Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SLAC National Accelerator Laboratory), Quynh LD Nguyen (chercheur de projet, Stanford PULSE Institute/Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SLAC National Accelerator Laboratory), Mariano Trigo (chercheur principal, Stanford PULSE Institute/Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SLAC National Accelerator Laboratory) et Barry Bradlyn (professeur adjoint, Physique, UIUC).

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