Физики из МГУ наблюдали превращение диэлектрика в проводник

Сотрудники физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с российскими и немецкими коллегами исследовали изменение поведения электронов в одном из видов диэлектриков и с высоким временным разрешением и проследили за превращением материала в проводник под действием ультракоротких импульсов лазера. Использованный метод можно применять для изучения процессов, протекающих с высокой скоростью. Теоретическое исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.

Авторы статьи рассматривали моттовский диэлектрик, свойства которого связаны с сильным взаимодействием электронов. Необходимость учитывать это взаимодействие и затрудняла ранее изучение процессов в моттовских диэлектриках. В этой работе для его исследования физики использовали метод спектроскопии высоких гармоник. Он заключается в том, что на материал направляют очень короткие, в масштабах десятков или сотен фемтосекунд (квадриллионных долей секунды), импульсы лазера с заданными характеристиками. При отражении луча от материала эти характеристики изменяются, в том числе часть фотонов приобретает в десятки раз большую энергию и частоту колебаний, чем фотоны исходного импульса (это и называется генерацией оптических гармоник). По изменению характеристик луча можно судить о свойствах материала.

«Эксперименты начались около 20 лет назад, и тогда в основном изучали, как свет воздействует на молекулы или атомы. Последние лет пять экспериментаторы начали переключаться на твердое тело, на кристаллы. Известно, что в кристаллах важны эффекты, связанные с тем, что множество электронов взаимодействуют друг с другом. Однако в описании генерации высоких гармоник от твердого тела до сих пор о таких многочастичных эффектах речи не шло. Наша теоретическая статья — это первая попытка исследования того, как многочастичная физика будет себя проявлять при генерации сверхвысоких оптических гармоник», — рассказал один из авторов статьи, профессор физического факультета МГУ Алексей Рубцов.

Физики исследовали изменения свойств моттовского диэлектрика под действием лазерных импульсов. Его диэлектрическое состояние возникает благодаря тому, что энергия взаимодействия электронов (отталкивания друг от друга отрицательно заряженных частиц) выше их средней кинетической энергии. В результате электроны не могут свободно передвигаться внутри материала, и он не проводит электрический ток.

При попадании луча на поверхность моттовского диэлектрика многочастичное состояние электронов перестраивается под действием сильного переменного поля. Кинетическая энергия электронов возрастает, материал теряет свойства диэлектрика. Этот процесс и удалось исследовать с помощью спектроскопии высоких гармоник.

Продолжение исследования, по мнению авторов работы, зависит от достижений ученых-экспериментаторов. «Как только они увидят что-нибудь похожее, будет ясно, куда двигаться дальше, в первую очередь, в описании конкретных результатов экспериментов», — добавил Алексей Рубцов.

Исследование проводилось совместно с учеными из Института нелинейной оптики и спектроскопии имени Макса Борна, Российского квантового центра, Московского физико-технического института, Берлинского технического университета, Королевского колледжа в Лондоне и Берлинского университета имени Гумбольдта.

Фото: График показывает вероятность обнаружить два электрона на узле в зависимости от времени (горизонтальная ось) и величины межэлектронного взаимодействия (вертикальная ось).