Der sker spændende nye udviklinger i verden af kvantematerialer, og denne måneds spotlight er på A.S. Johnson et al.'s artikel om kvantefaseovergange, der er blevet publiceret i Nature Physics! I denne artikel er lektor Simon E. Wall, forskere fra IFA og andre de første til at udvikle en metode, der afslører nye resultater i den lysinducerede faseovergang i vanadiumdioxid (VO₂). De anvendte kohærent røntgenbilleder, der er opløst i nanometerrumsskalaen og femtosekundernes tidsskala. Observationerne i denne artikel viser vigtigheden af opløsende billeddannelses- og måleteknikker, når man studerer faseovergange, fordi ny adfærd kan være blot 100 femtosekunder fra observation. Deres arbejde blev også udvalgt til forsiden af Nature Physics!

VO₂ er en særlig spændende krystal inden for kvantematerialestudier, da lys kan kontrollere dens egenskaber. På grund af dets betydning i kvanteforskningen har VO₂ et kendt sæt egenskaber, som udvises under faseovergange. Før en faseovergang afsluttes, bryder f.eks. de bundne vanadiumpar inden for et område, og båndgabene mellem de bundne par forsvinder inden for nogenlunde samme tidsramme. Et båndgab forstås generelt som gabet mellem valens- og ledningsbåndene for et atom i fast tilstand. Et båndgab er i bund og grund et rum, hvor det er umuligt for en elektron at kredse om kernen. Sammenfaldet af båndkløfter anses for at være et vigtigt aspekt af faseovergange. Men selv om eksistensen og kollapset af båndgab under faseovergange i VO₂ er kendt, er de mellemliggende overgangsstadier af kollapsene stadig et mysterium. Flere forskergrupper forudsiger en "forbigående" fase af VO₂ kaldet det monokliniske metal, som ikke har båndgabet og heller ikke gennemgår strukturelle ændringer. Denne tilstand blev forudsagt til at leve på nanosekunders tidsskala, men er endnu ikke blevet direkte observeret. Forskningen i denne artikel ser specifikt på at spore denne forbigående fase for at undersøge, hvad der foregår.

Forskerne undersøger den forbigående fase ved hjælp af kohærent røntgenlys for at bryde forbindelsen mellem de bundne vanadiumionpar. Når disse bindinger er brudt, udløses en overgang fra den isolerende til den metalliske fase, en overgang, der finder sted på en ultrahurtig tidsskala. Faktisk sker overgangen fra isolator til metallisk fase i løbet af 200 femtosekunder (10-¹⁵s). Metalfasen er generelt blevet teoretiseret som værende flygtig, idet man ofte har observeret, at den begynder at skifte tilstand igen efter ca. 100 picosekunder (10-¹²s). 

Observationer fra denne forskning viste ikke den forudsagte fase, men i stedet en anden form for tilstand - "strain"-tilstanden. Forskerne opdagede, at den monokliniske metalliske fase er under enorm orthorhombisk belastning under overgange. Denne nye observation blev gjort ved at følge faseovergangen på femtosekunders tidsskala. Dette er revolutionerende, da det hidtil har været meget vanskeligt at kombinere rumlig opløsning på nanometerniveau med tidsopløsning på femtosekunder. Ved denne opløsning observerede forskerne, at den indledende dynamik i en faseovergang med hensyn til tid ikke påvirkes af et molekyls umiddelbare omgivelser. Det vil sige, at molekyler ikke nødvendigvis påvirkes af deres naboers adfærd. Dette kan have en vis indflydelse på den lokale krystallisering af den monokliniske metaltilstand. 

Kvanteverdenens omskiftelige natur kræver den størst mulige nøjagtighed, når det drejer sig om at måle, fortolke og forsøge at forstå, hvad der foregår i den. De observationer, der er gjort i denne artikel, viser vigtigheden af opløsende billeddannelses- og måleteknikker, når man studerer kvantefaseændringer. Ny adfærd er måske kun 100 femtosekunder fra observation!

Læs artiklen her.