Investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han detectado la existencia de una onda de densidad de carga de electrones que adquiere masa a medida que interactúa con los iones de la red de fondo del material a largas distancias.
Esta nueva investigación, dirigida por el profesor asistente Fahad Mahmood (Física, Laboratorio de Investigación de Materiales) y el postdoctorado Soyeun Kim (postdoctorado actual en el Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía, Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC), es una medición directa del mecanismo de Anderson-Higgs ( de adquisición de masa) y la primera demostración conocida de un fasón masivo en un material de onda de densidad de carga, una predicción hecha hace más de 40 años.
Su artículo, « Observación de un fasón masivo en un aislador de ondas de densidad de carga », con estos resultados, se publicó recientemente en Nature Materials.
Las excitaciones colectivas de las fases condensadas de la materia a menudo juegan un papel fundamental en el desarrollo de teorías fundamentales para una variedad de materiales, incluidos los superconductores, los imanes cuánticos y las ondas de densidad de carga. En un metal simple, los electrones se distribuyen uniformemente en el espacio; la densidad de electrones en un punto del espacio es igual a la de otro punto del espacio. En ciertos metales, sin embargo, la densidad de electrones desarrolla un patrón sinusoidal (onda) (una onda de densidad de carga). Mahmood explica que, considerando la onda de densidad de carga como congelada en el espacio, si la onda es perturbada, va a « sonar » (es decir, se generan sus excitaciones colectivas). Puede sonar por un cambio en la amplitud del patrón de onda, o la onda de densidad de carga puede deslizarse hacia adelante y hacia atrás (cambio de fase). La excitación colectiva posterior se denomina fasón y es similar a las ondas de sonido en un material : tiene una masa insignificante.
Hace más de 40 años, los investigadores predijeron que si el fasón interactúa fuertemente con la red de iones de fondo a largas distancias (interacciones de Coulomb de largo alcance), intentará arrastrar los iones pesados a medida que se mueve. Como resultado, el fasón requerirá mucha más energía para que se mueva; se dice que el fasón « adquiere masa ». Se cree que esta adquisición de masa de un fasón ocurre debido al mismo mecanismo por el cual todas las partículas masivas fundamentales en el universo adquieren masa (un fenómeno conocido como el mecanismo de Anderson-Higgs). La observación directa de esta adquisición de masa sigue siendo esquiva, principalmente porque las interacciones de Coulomb de largo alcance no existen en la mayoría de los materiales de ondas de densidad de carga.
El material utilizado en esta investigación, el yoduro de tantalio y selenio ((TaSe4)2I), es un muy buen aislante a bajas temperaturas y es uno de los aislantes más conocidos para ondas de densidad de carga. Debido a eso, es probable que existan interacciones de Coulomb de largo alcance en el sistema y esas interacciones pueden dar masa a la excitación que de otro modo no tendría masa. En teoría, si el material se calienta, se volvería menos aislante, las interacciones de Coulomb se debilitarían y el fasón masivo perdería masa.
Mahmood, Kim y sus colaboradores pudieron investigar el fasón de onda de densidad de carga en (TaSe4)2I mediante el desarrollo de una técnica óptica no lineal conocida como espectroscopia de emisión de terahercios (THz) en el dominio del tiempo a bajas temperaturas (menos de 10 K, -442 ° F). Usando esta técnica, un pulso de láser infrarrojo ultrarrápido, que dura menos de 150 fs (1 fs es una millonésima de una billonésima de segundo), brilló sobre la muestra (TaSe4)2I, generando las excitaciones colectivas del sistema. Lo que detectaron fue el fasón masivo que irradia en la región de frecuencias THz, con un ancho de banda muy estrecho. Cuando calentaron el material, el fasón masivo se volvió sin masa (dejó de irradiar), coincidiendo con las predicciones teóricas de larga data.
Si bien (TaSe4)2I es propicio para albergar un fason masivo, puede ser un material muy desafiante para trabajar porque crece como agujas muy delgadas que dificultan la alineación de la muestra. Kim describió el proceso « como intentar encender una luz en el costado de un palillo ». Un colaborador de esta investigación, Daniel Shoemaker (profesor asociado, MatSE, UIUC), pudo hacer crecer cristales de (TaSe4)2I con un ancho sustancialmente grande, lo que permitió la aplicación de la espectroscopia de emisión de THz en este material.
« Es gratificante ver que un modo colectivo predicho hace muchos años finalmente se ve experimentalmente », comentó Patrick Lee, profesor de física William & Emma Rogers en el MIT, y uno de los pioneros de los trabajos teóricos que predicen el fasón masivo a cargo. ondas de densidad « Habla del poder de las modernas técnicas ópticas no lineales y del ingenio de los experimentadores. El método es general y también podemos ver aplicaciones a otros modos colectivos ».
A un nivel aplicado, generar radiación de banda estrecha en la región de frecuencias de THz puede ser muy difícil. Sin embargo, debido a la radiación de THz de ancho de banda sorprendentemente estrecho resultante del fasón masivo en (TaSe4)2I, la posibilidad de desarrollarlo (y otros materiales similares) como un emisor de THz es bastante prometedora. La frecuencia y la intensidad de esta emisión de THz pueden controlarse potencialmente variando las propiedades de la muestra, aplicando campos magnéticos externos o tensión.
Mahmood resume : « Esta es la primera demostración conocida de un fasón masivo en un material de onda de densidad de carga y resuelve la cuestión de larga data de si un fasón de onda de densidad de carga adquiere masa al acoplarse a interacciones de Coulomb de largo alcance. Este es un resultado importante eso tendrá un profundo impacto en el campo de los materiales fuertemente correlacionados y en la comprensión de la interacción entre las interacciones, el orden de las ondas de densidad y la superconductividad en los materiales ».
Otros colaboradores de este trabajo incluyen a Yinchuan Lv (estudiante de posgrado, Física, UIUC), Xiao-Qi Sun (postdoctorado, Física, UIUC), Chengxi Zhao (estudiante de posgrado, MatSE/MRL, UIUC), Nina Bielinski (estudiante de posgrado, Física/ MRL, UIUC), Azel Murzabekova (estudiante de posgrado, Física/MRL, UIUC), Kejian Qu (estudiante de posgrado, Física/MRL, UIUC), Ryan A. Duncan (posdoctorado, Stanford PULSE Institute/Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SLAC National Accelerator Laboratory), Quynh LD Nguyen (científico del proyecto, Stanford PULSE Institute/Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SLAC National Accelerator Laboratory), Mariano Trigo (científico principal, Stanford PULSE Institute/Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, SLAC Laboratorio Nacional de Aceleradores) y Barry Bradlyn (profesor asistente, Física, UIUC).