Скрытые состояния материи - Hidden states of matter

А скрытое состояние материи это состояние дела который не может быть достигнут под эргодический условий, и поэтому отличается от известных термодинамических фаз материала.[1][2] Примеры существуют в системах конденсированного состояния, и обычно достигаются неэргодическими условиями, создаваемыми посредством лазерного фотовозбуждения.[3][4] Сообщалось также о короткоживущих скрытых состояниях материи в кристаллах с использованием лазеров. Недавно устойчивое скрытое состояние было обнаружено в кристалле Сульфид тантала (IV) (TaS2), где состояние устойчиво при низких температурах.[2] Скрытое состояние материи не следует путать с скрытый заказ, которая существует в равновесии, но не сразу очевидна или легко наблюдаема.

Использование ультракоротких лазер импульсы, падающие на твердое тело,[3] система может быть выбита из равновесия, так что не только отдельные подсистемы не находятся в равновесии друг с другом, но и внутренне. В таких условиях могут быть созданы новые состояния материи, которые иначе недостижимы при равновесной, эргодической эволюции системы. Такие состояния обычно нестабильны и очень быстро распадаются, обычно за наносекунды или меньше.[4] Трудность состоит в том, чтобы отличить подлинное скрытое состояние от состояния, которое просто не находится в тепловом равновесии.[5]

Вероятно, первый случай фотоиндуцированного состояния описан для органического молекулярного соединения TTF-CA, которое превращается из нейтрального в ионный вид в результате возбуждения лазерными импульсами.[4][6][7] Однако подобное преобразование также возможно 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 вызывает устойчивые состояния ванадатов.[8][9] и манганитовые материалы,[10][11][12] ведущие к нитевидным путям модифицированной фазы с упорядоченным зарядом, которая поддерживается проходящим током. Переходный сверхпроводимость также сообщалось в купраты.[13][14]

Фотовозбужденный переход в H-состояние

Гипотетическая схематическая диаграмма перехода в H-состояние при фотовозбуждении показана на рисунке (после [4]). Поглощенный фотон переводит электрон из основного состояния G в возбужденное состояние E (красная стрелка). Состояние E быстро расслабляется через Франк-Кондон релаксация в промежуточное локально переупорядоченное состояние I. Через взаимодействия с другими подобными состояниями это состояние коллективно приказывает сформировать макроскопически упорядоченное метастабильное состояние H, в результате чего еще больше понижается его энергия. Новое состояние имеет нарушенную симметрию по отношению к состоянию G или E и может также включать дальнейшую релаксацию по сравнению с состоянием I. Барьер EB предотвращает возврат состояния H в основное состояние G. Если барьер достаточно велик по сравнению с тепловой энергией kBT, где kB это Постоянная Больцмана, состояние H может быть стабильным бесконечно.

Фотовозбужденный переход из основного состояния в скрытое состояние обычно включает два промежуточных состояния.

использованная литература

  1. ^ Итикава, Хирохико; Нодзава, Сюнсуке; Сато, Токуши; Томита, Аяна; Ичиянаги, Коухеи; Шоле, Матье; Герен, Лоран; Дин, Ники; Каваллери, Андреа; Адачи, Син-ичи; Арима, Така-хиса; Сава, Хироши; Огимото, Ясуси; Накамура, Масао; Тамаки, Ре; Мияно, Кенджиро; Кошихара, Шин-я (2011). «Переходная фотоиндуцированная« скрытая »фаза в манганите». Материалы Природы. 10 (2): 101–105. Дои:10.1038 / nmat2929. ISSN  1476-1122.
  2. ^ а б Стойчевская, Л .; Васьковский, И .; Mertelj, T .; Kusar, P .; 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. Дои:10.1126 / science.1241591. ISSN  0036-8075.
  3. ^ а б Токура, Ёсинори (2006). «Фотоиндуцированный фазовый переход: инструмент для создания скрытого состояния материи». Журнал Физического общества Японии. 75 (1): 011001. Дои:10.1143 / JPSJ.75.011001. ISSN  0031-9015.
  4. ^ а б c d е Насу, К. Фотоиндуцированные фазовые переходы. World Scientific, Сингапур (2004).
  5. ^ Мияно, К .; Танака, Т .; Tomioka, Y .; Токура, Ю. (1997). "Фотоиндуцированный переход диэлектрик-металл в манганите перовскита". Письма с физическими проверками. 78 (22): 4257–4260. Дои:10.1103 / PhysRevLett.78.4257. ISSN  0031-9007.
  6. ^ Koshihara, S .; Tokura, Y .; Mitani, T .; Сайто, G .; Кода, Т. (1990). «Фотоиндуцированная валентная нестабильность в органическом молекулярном соединении тетратиафульвален-п-хлоранил (TTF-CA)». Физический обзор B. 42 (10): 6853–6856. Дои:10.1103 / PhysRevB.42.6853. ISSN  0163-1829.
  7. ^ Окамото, H .; Ishige, Y .; Tanaka, S .; Kishida, H .; Iwai, S .; Токура, Ю. (2004). «Фотоиндуцированный фазовый переход в тетратиафульвален-п-хлоранил, наблюдаемый в фемтосекундной спектроскопии отражения». Физический обзор B. 70 (16): 165202. Дои:10.1103 / PhysRevB.70.165202. ISSN  1098-0121.
  8. ^ Cavalleri, A .; Tóth, Cs .; Siders, C.W .; Squier, J. A .; Ráksi, F .; Забудьте, P .; Киффер, Дж. К. (2001). «Фемтосекундная структурная динамика в VO2 во время сверхбыстрого фазового перехода твердое тело-твердое тело». Письма с физическими проверками. 87 (23): 237401. Дои:10.1103 / PhysRevLett.87.237401. ISSN  0031-9007.
  9. ^ Tomimoto, S .; Miyasaka, S .; Огасавара, Т .; Окамото, H .; Токура, Ю. (2003). «Сверхбыстрое фотоиндуцированное плавление орбитального порядка в LaVO.3". Физический обзор B. 68 (3): 035106. Дои:10.1103 / PhysRevB.68.035106. HDL:2241/101634. ISSN  0163-1829.
  10. ^ Takubo, N .; Ogimoto, Y .; Накамура, М .; Tamaru, H .; Идзуми, М .; Мияно, К. (2005). «Постоянное и обратимое полностью оптическое управление фазой в тонкой пленке манганита». Письма с физическими проверками. 95 (1): 017404. Дои:10.1103 / PhysRevLett.95.017404. ISSN  0031-9007.
  11. ^ Михайлович, Драган (2016). «Настройка фазовых диаграмм». Материалы Природы. 15 (9): 930–931. Дои:10.1038 / nmat4744. ISSN  1476-1122.
  12. ^ Чжан, Цзинди; Тан, Сюэлянь; Лю, Мэнкунь; Teitelbaum, S.W .; Post, K. W .; Джин, Фэн; Нельсон, К. А .; Басов, Д. Н .; Ву, Вэньбинь; Аверитт Р. Д. (2016). «Кооперативное фотоиндуцированное управление метастабильной фазой в напряженных манганитовых пленках». Материалы Природы. 15 (9): 956–960. arXiv:1512.00436. Дои:10.1038 / nmat4695. ISSN  1476-1122.
  13. ^ Ю., Г .; Lee, C.H .; Heeger, A. J .; Herron, N .; Маккаррон, Э. М. (1991). «Переходная фотоиндуцированная проводимость в монокристаллах YBa.2Cu3О6.3: Фотодопирование до металлического состояния ». Письма с физическими проверками. 67 (18): 2581–2584. Дои:10.1103 / PhysRevLett.67.2581. ISSN  0031-9007.
  14. ^ Fausti, D .; Tobey, R. I .; Dean, N .; Kaiser, S .; Dienst, A .; Hoffmann, M.C .; Pyon, S .; Такаяма, Т .; Takagi, H .; Каваллери, А. (2011). «Светоиндуцированная сверхпроводимость в купрате с полосчатым упорядочением». Наука. 331 (6014): 189–191. Дои:10.1126 / science.1197294. ISSN  0036-8075.