En figur av strontiumtitanat, SrTiO3. Illustration: Stefano Bonetti
En figur av strontiumtitanat, SrTiO3. Rött är titan, grönt är strontium och vitt är syre. De gröna och vita områdena visar cellenheternas jämviktsposition, medan den faktiska atompositionen visar förskjutningen som har framkallats av ett starkt terahertz-elektriskt fält. Illustration: Stefano Bonetti

Studien har gjorts av forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory, Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, Paul Scherrer Institute och Stockholms universitet.

– Samma metod skulle i framtiden också kunna användas för att kontrollera egenskaper hos flera andra kvantmaterial och vara användbar för att kunna bygga en kvantdator, säger Stefano Bonetti, docent och Wallenberg Academy Fellow vid Fysikum, som är medförfattare till artikeln som publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics.

I den nya tekniskt avancerade studien använde forskarna ultrakorta och starka röntgenpulser som genererades vid frielektronlasern LCLS vid Stanford för att direkt kunna titta på den atomiska ”dansen” som utlöses av starka och korta elektriska fält.

Stefano Bonetti, Fysikum. Foto: Magnus Bergström/Wallenbergstiftelserna
Stefano Bonetti, Wallenberg Academy Fellow vid Fysikum. Foto: Magnus Bergström. Wallenbergstiftelserna har tillhandahållit bilden.

– Genom att använda intensiva och korta elektriska pulser i terahertz-frekvensen kan vi ”skaka” om atomerna i en sådan utsträckning att det skapas en stark elektrisk polarisering i materialet under en kort stund, och oväntade vibrationer börjar uppträda vid en frekvens som är högre än den som vi använde för att starta rörelsen.

– Våra resultat avslöjar en unik och hittills okänd bild av fononer, som är detsamma som kvantiserade atomvibrationer, på samma sätt som fotoner är kvantiserat ljus. Det här visar också en väg mot att kunna kontrollera atomvibrationer, och i sin tur de exotiska egenskaperna hos kvantmaterial, som är starkt påverkade av atomernas position och rörelse, säger Stefano Bonetti.

Han förklarar att det undersökta kvantmaterialet, strontiumtitanat, med formel SrTiO3, är ett material där många av dessa exotiska egenskaper har observerats. Materialet tros vara nära kopplat till närvaron av speciella fononer.

– Professor Alexander Balatsky vid Nordita vid Stockholms universitet har till exempel förutspått att sådana fononer är förknippade med övergången till ett superledande tillstånd. Med denna teori förutspådde Alexander Balatsky och hans medarbetare att om man utövar ett tryck på denna typ av material, det vill säga påverkar kristallens ”vibrationer”, kan den kritiska temperaturen för supraledning öka. Det har vi nu kunnat observera i ett annat experiment, säger Stefano Bonetti.

– Det visar också paradigmskiftet som vi är med om inom fysik. Vi har nu både de teoretiska och experimentella verktygen, framför allt frielektronlasrar, för att titta på atomerna vid de tidsskalor som är relevanta för kvantmekanik. Med de nya och bättre maskiner som byggs runt om i världen, kan vi vara på väg att upptäcka naturens hemligheter, något som har förbryllat oss i åratal.

Viktiga teknologiska skiften som har förändrat samhället har alltid satts igång av grundläggande upptäckter, lägger han till.

– Även om vi inte kan vara säkra på hur och när detta kommer att hända igen, står vi utan tvivel framför ett outforskat territorium där vi sannolikt kommer att hitta överraskningar.

 

Artikeln “Terahertz-driven phonon upconversion in SrTiO3är publicerad i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics.

Den svenska delen av projekt har finansierats med stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

”Femtosekundslasrar ger kunskap om nya kvantmaterial” – artikel om Stefano Bonettis forskning på hemsidan för Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.