Световые импульсы временно превращают изоляторы в металлы
Контроль над электронными корреляциями в NiO, достигнутый с помощью насосно-зондовой экспериментальной установки в УФ-диапазоне. Автор: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adx5676
Оксиды металлов широко распространены в природе и играют ключевую роль в таких технологиях, как фотокатализ и фотовольтаика. Однако многие из них страдают от плохой электропроводности, вызванной сильным отталкиванием между электронами в соседних атомах металла.
Исследователи из HZB и партнерских учреждений продемонстрировали, что световые импульсы могут временно ослаблять эти силы отталкивания, снижая энергию, необходимую для подвижности электронов, и вызывая металлоподобное поведение. Это открытие предлагает новый способ управления свойствами материалов с помощью света, что имеет высокий потенциал для создания более эффективных световых устройств. Статья опубликована в журнале Science Advances.
В большинстве оксидов металлов электроны ведут себя как автомобили, застрявшие в пробке: сильные силы отталкивания не позволяют им перемещаться на соседние участки, уже занятые другими электронами, эффективно замораживая их на месте. Материалы, управляемые этими отталкиваниями (или корреляциями), плохо проводят электричество и недостаточно эффективны в, например, преобразовании солнечной энергии.
Исследователи из HZB и партнерских учреждений теперь показали, что сверхкороткие световые импульсы длительностью всего несколько десятков фемтосекунд могут временно ослаблять эти силы отталкивания. На краткий момент электроны способны двигаться с меньшими энергетическими затратами, что заставляет материал вести себя больше как металл. В отличие от традиционных методов, которые полагаются на температуру, давление или химические изменения для изменения проводимости, этот подход использует свет для достижения того же эффекта на сверхкоротких временных масштабах.
Когда оксид никеля (NiO) возбуждается сверхкороткими УФ-импульсами, электронные отталкивания временно ослабевают, заставляя изолятор вести себя больше как металл. Чтобы зафиксировать этот эффект, исследователи зондировали материал разноцветными УФ-импульсами и измеряли их поглощение и отражательную способность. Результаты показывают беспрецедентный контроль над электронными отталкиваниями с помощью света. Автор: Томас Росси / HZB
Чтобы зафиксировать этот эффект на сверхбыстрых временных масштабах, команда HZB объединила усилия с несколькими партнерами. Эксперимент проходил в LACUS в Лозанне (Швейцария), центре, специализирующемся на сверхбыстрой науке, в то время как характеристика образцов, анализ данных и моделирование проводились с использованием инфраструктуры HZB.
Команда сосредоточилась на оксиде никеля (NiO), изоляторе с переносом заряда, имеющем электронную структуру, подобную высокотемпературным сверхпроводникам. В NiO они достигли беспрецедентного контроля: уменьшение электронного отталкивания масштабируется линейно с интенсивностью света, сохраняется в течение сотен пикосекунд и возвращается к равновесию с той же скоростью независимо от плотности возбуждения.
В совокупности эти свойства открывают захватывающие новые перспективы для более эффективных световых устройств и технологий следующего поколения, сочетающих широкие динамические диапазоны работы со сверхбыстрыми скоростями переключения.
Дополнительная информация: Thomas C. Rossi et al, Dynamic control of electron correlations in photodoped charge-transfer insulators, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adx5676
0 комментариев