光が物質を溶かす！光誘起相転移の詳細が明らかに

・研究者らが電子リップルを用いて物質の相転移を解析。
・レーザー誘起の相転移は、非常に異なる展開をすることがわかった。
・物質中の電子のダイナミクスと格子原子に影響を与えるいくつかのトポロジカル欠陥を生成する。

 

何年もの間、科学者たちは、物質がどのようにして凍結や融解のような「相転移」を起こすのかを研究してきました。最近、マサチューセッツ工科大学の研究者たちが、光誘起相転移と熱誘起相転移がまったく異なる現象であることを発見しました。

 

研究者たちは長い間、このようなことが起こりうると予想していたものの、その過程は今まで記録されていませんでした。今回の研究により、物理学の理解が深まり、科学者たちはこのメカニズムを利用して新しいタイプのオプトエレクトロニクス【光電子工学】機器を開発できるようになるでしょう。

 

結晶性固体の特性を正確に模倣するため、研究チームは本物の結晶のような氷ではなく、電荷密度波（電子アナログ）を使用しました。通常、結晶の構造は一様に融解しますが、電荷密度波に超高速レーザーパルスを誘起すると、融解の仕方が変わります。相転移によって、物質にトポロジカル欠陥と呼ばれる特異点がいくつか生じ、これが物質中の電子のダイナミクスや格子原子に影響を与えるのです。

 

プロセスの観察

溶融プロセスを実際に捉えるために、研究チームは超高速かつ精密な測定方法を用いました。例えば、ピコ秒のレーザーパルスは、素早い相転移をシミュレートします。急冷は、急速な相転移の最も一般的な例のひとつで、例えば、半溶融状態の赤熱した鉄を瞬時に水に浸すことなどです。

 

光が誘起する相転移プロセスは、物質が温度変化の各相で平衡に達するのに十分な時間を得るという、漸進的な冷却や加熱によって変化する方法とは大きく異なります。

 

研究チームは、レーザーパルスの挙動をリアルタイムで記録するために、3つの方法を併用しました。

 

1. 超高速電子回折
2. 過渡反射率
3. 時間・角度分解光電子分光法

 

LaTe3（ランタン【柔らかく、展延性がある銀白色の金属】にテルル【酸素族に属する半金属元素】を加えた物質）は、電荷密度波のホストに使われます。これらの装置を組み合わせることで、研究チームは、物質内の原子や電子がレーザー光の強いパルスに反応する運動を追跡することができました。

 

この技術により、電荷密度波が溶けて再凍結するときの原子と電子の様子を観察し、ビデオクリップにすることが可能になりました。この研究でチームは、液体中に生じる小さな渦に似たトポロジカル欠陥の存在を確認したのです。

 

研究中のサンプルからの電子回折
中央の点の両側に近い小さな白いスポットは、超高速レーザーパルスに当たると「溶け」、その後「再凍結」するため、結晶構造に類似した電荷密度波を示している
出典：研究チーム

 

研究チームは、再凝固のプロセスは一様ではないことを発見しました。複数の時間スケールで起こるのです。さらに、電荷密度波の振幅／強度は、格子の秩序性よりも速く回復します。全体として、この研究で用いられた時間分解法は、類まれな眺めを提供しています。

 

次の課題は？

この成果は、たとえ1兆分の1秒しか存在しないとしても、物性物理学や新規化合物の発見にとって非常に重要です。

 

近いうちに、研究チームは、トポロジカル欠陥を制御された環境でどのように操作できるかを解明しようとするでしょう。これによって、光パルスで欠陥をシステムに書き込んだり消したりすることが可能になり、データ記憶装置として利用できるようになるはずです。