Сотрудник физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова вместе с российскими и немецкими коллегами исследовал, как меняется поведение электронов в одном из видов диэлектриков под действием ультракоротких лазерных импульсов. Ученым удалось с высоким временным разрешением проследить, как такой материал теряет свойства диэлектрика и превращается в проводник. Результаты теоретической работы опубликованы в журнале Nature Photonics.
В центре исследования находился моттовский диэлектрик. Это материал, свойства которого определяются сильным взаимодействием электронов между собой. Именно необходимость учитывать такое взаимодействие долгое время заметно осложняла изучение процессов, происходящих в моттовских диэлектриках.
Для анализа физики использовали метод спектроскопии высоких гармоник, сообщает «Научная Россия». Его суть заключается в том, что на материал направляют очень короткие лазерные импульсы длительностью в десятки или сотни фемтосекунд. При отражении от поверхности характеристики луча меняются. Часть фотонов при этом получает энергию и частоту колебаний, которые в десятки раз выше по сравнению с фотонами исходного импульса. По таким изменениям специалисты могут судить о свойствах материала и о процессах, которые в нем происходят.
Один из авторов работы, профессор физического факультета МГУ Алексей Рубцов, пояснил, что эксперименты в этой области начались около 20 лет назад. Сначала специалисты в основном изучали, как свет воздействует на отдельные молекулы и атомы. Однако в последние 5 лет внимание исследователей все активнее переключалось на твердое тело и кристаллы, где особенно важны эффекты, связанные со взаимодействием большого числа электронов.
«Эксперименты начались около 20 лет назад, и тогда в основном изучали, как свет воздействует на молекулы или атомы. Последние лет 5 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 Алексей Рубцов.
В обычном состоянии моттовский диэлектрик не проводит электрический ток. Это связано с тем, что энергия взаимодействия электронов, то есть их взаимного отталкивания, оказывается выше их средней кинетической энергии. Из-за этого электроны не могут свободно перемещаться внутри материала.
Когда на поверхность такого диэлектрика попадает сильный лазерный импульс, многочастичное состояние электронов начинает перестраиваться под действием переменного поля. Кинетическая энергия электронов растет, и материал постепенно теряет свойства диэлектрика. Именно этот переход в проводящее состояние ученые и смогли проследить с помощью выбранного метода.
По словам авторов, дальнейшее развитие этой работы во многом будет зависеть от результатов, которые получат экспериментаторы. После появления новых наблюдений станет понятнее, в каком направлении нужно двигаться дальше, прежде всего при описании конкретных данных опытов.
«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.
