Skryté stavy hmoty - Hidden states of matter

A skrytý stav hmoty je stav hmoty pod kterou nelze dosáhnout ergodický podmínek, a proto se liší od známých termodynamických fází materiálu.[1][2] Příklady existují v systémech kondenzované hmoty a jsou obvykle dosažitelné neergodickými podmínkami vytvořenými laserovou foto excitací.[3][4] Krátkodobé skryté stavy hmoty byly také hlášeny v krystalech pomocí laserů. Nedávno byl v krystalu objeven trvalý skrytý stav Sulfid tantalitý (TaS2), kde je stav stabilní při nízkých teplotách.[2] Skrytý stav hmoty nelze zaměňovat skrytý řád, který existuje v rovnováze, ale není okamžitě zjevný nebo snadno pozorovatelný.

Použití ultrakrátké laser pulzy dopadající na pevnou látku,[3] systém může být vyřazen z rovnováhy tak, že jsou nejen jednotlivé subsystémy v rovnováze navzájem, ale také interně. Za takových podmínek mohou být vytvářeny nové stavy hmoty, které by jinak nebyly dosažitelné v rovnovážném, ergodickém vývoji systému. Takové stavy jsou obvykle nestabilní a rozpadají se velmi rychle, obvykle v nanosekundách nebo méně.[4] Potíž spočívá v rozlišení skutečného skrytého stavu od stavu, který je prostě mimo tepelnou rovnováhu.[5]

Pravděpodobně je popsán první příklad fotoindukovaného stavu pro organickou molekulární sloučeninu TTF-CA, která se v důsledku excitace laserovými pulzy mění z neutrálních na iontové druhy.[4][6][7] Podobná transformace je však možná také při použití tlaku, takže přísně vzato není fotoindukovaný přechod pod definicí uvedenou v úvodním odstavci do skrytého stavu. Několik dalších příkladů je uvedeno v odkazu.[4]Ukázalo se, že fotoexcitace způsobuje přetrvávající stavy u vanadátů[8][9] a manganitové materiály,[10][11][12] což vede k vláknitým drahám fáze modifikovaného náboje, která je udržována procházejícím proudem. Přechodné supravodivost byl také zaznamenán v cuprates.[13][14]

Fotoexcitovaný přechod do stavu H.

Hypotetický schematický diagram přechodu do stavu H fotobuzením je uveden na obrázku (po [4]). Absorbovaný foton způsobí, že elektron ze základního stavu G do excitovaného stavu E (červená šipka). Stav E se rychle uvolní Frank-Condon relaxace do přechodného místně přeuspořádaného stavu I. Prostřednictvím interakcí s ostatními svého druhu tento stav kolektivně objednává vytvoření makroskopicky uspořádaného metastabilního stavu H, což ve výsledku dále snižuje jeho energii. Nový stav má přerušenou symetrii s ohledem na stav G nebo E a může také zahrnovat další relaxaci ve srovnání se stavem I. Bariéra EB brání stavu H v návratu do základního stavu G. Pokud je bariéra dostatečně velká ve srovnání s tepelnou energií kBT, kde kB je Boltzmannova konstanta, H stav může být stabilní na neurčito.

Přechod ze základního stavu do skrytého stavu na fotografii obvykle zahrnuje dva přechodné stavy

Reference

  1. ^ Ichikawa, Hirohiko; Nozawa, Shunsuke; Sato, Tokushi; Tomita, Ayana; Ichiyanagi, Kouhei; Chollet, Matthieu; Guerin, Laurent; Dean, Nicky; Cavalleri, Andrea; Adachi, Shin-ichi; Arima, Taka-hisa; Sawa, Hiroši; Ogimoto, Yasushi; Nakamura, Masao; Tamaki, Ryo; Miyano, Kenjiro; Koshihara, Shin-ya (2011). "Přechodná fotoindukovaná 'skrytá' fáze v manganitu". Přírodní materiály. 10 (2): 101–105. doi:10.1038 / nmat2929. ISSN  1476-1122.
  2. ^ A b Stojchevska, L .; Vaskivskyi, I .; Mertelj, T .; Kusar, P .; Svetin, D .; Brazovskii, S .; Mihailovic, D. (2014). "Ultrarychlý přechod do stabilního skrytého kvantového stavu v elektronickém krystalu". Věda. 344 (6180): 177–180. arXiv:1401.6786. doi:10.1126 / science.1241591. ISSN  0036-8075.
  3. ^ A b Tokura, Yoshinori (2006). „Fázový přechod indukovaný fotkou: Nástroj pro generování skrytého stavu hmoty“. Journal of the Physical Society of Japan. 75 (1): 011001. doi:10.1143 / JPSJ.75.011001. ISSN  0031-9015.
  4. ^ A b C d E Nasu, K. Fotoindukované fázové přechody. World Scientific, Singapore (2004).
  5. ^ Miyano, K .; Tanaka, T .; Tomioka, Y .; Tokura, Y. (1997). "Fotoindukovaný přechod izolátoru na kov v perovskitovém manganitu". Dopisy o fyzické kontrole. 78 (22): 4257–4260. doi:10.1103 / PhysRevLett.78.4257. ISSN  0031-9007.
  6. ^ Koshihara, S .; Tokura, Y .; Mitani, T .; Saito, G .; Koda, T. (1990). "Fotoindukovaná valenční nestabilita v organické molekulární sloučenině tetrathiafulvalen-p-chloranil (TTF-CA)". Fyzický přehled B. 42 (10): 6853–6856. doi:10.1103 / PhysRevB.42.6853. ISSN  0163-1829.
  7. ^ Okamoto, H .; Ishige, Y .; Tanaka, S .; Kishida, H .; Iwai, S .; Tokura, Y. (2004). "Fotoindukovaný fázový přechod v tetrathiafulvalen-p-chloranilu pozorovaný ve femtosekundové reflexní spektroskopii". Fyzický přehled B. 70 (16): 165202. doi:10.1103 / PhysRevB.70.165202. ISSN  1098-0121.
  8. ^ Cavalleri, A .; Tóth, Cs .; Siders, C. W .; Squier, J. A .; Ráksi, F .; Zapomeň, P .; Kieffer, J. C. (2001). „Femtosekundová strukturní dynamika inVO2 během ultrarychlého přechodu mezi fázemi solid-solid“. Dopisy o fyzické kontrole. 87 (23): 237401. doi:10.1103 / PhysRevLett.87.237401. ISSN  0031-9007.
  9. ^ Tomimoto, S .; Miyasaka, S .; Ogasawara, T .; Okamoto, H .; Tokura, Y. (2003). „Ultrarychlé fotoindukované tavení orbitálního řádu v LaVO3". Fyzický přehled B. 68 (3): 035106. doi:10.1103 / PhysRevB.68.035106. hdl:2241/101634. ISSN  0163-1829.
  10. ^ Takubo, N .; Ogimoto, Y .; Nakamura, M .; Tamaru, H .; Izumi, M .; Miyano, K. (2005). "Trvalé a reverzibilní plně optické fázové řízení v manganitovém tenkém filmu". Dopisy o fyzické kontrole. 95 (1): 017404. doi:10.1103 / PhysRevLett.95.017404. ISSN  0031-9007.
  11. ^ Mihailovic, Dragan (2016). "Ladění fázových diagramů". Přírodní materiály. 15 (9): 930–931. doi:10.1038 / nmat4744. ISSN  1476-1122.
  12. ^ Zhang, Jingdi; Tan, Xuelian; Liu, Mengkun; Teitelbaum, S. W .; Post, K. W .; Jin, Feng; Nelson, K. A .; Basov, D.N .; Wu, Wenbin; Averitt, R. D. (2016). "Kooperativní fotoindukované řízení metastabilní fáze v napjatých manganitových filmech". Přírodní materiály. 15 (9): 956–960. arXiv:1512.00436. doi:10.1038 / nmat4695. ISSN  1476-1122.
  13. ^ Yu, G .; Lee, C. H .; Heeger, A. J .; Herron, N .; McCarron, E. M. (1991). „Přechodná fotoindukovaná vodivost v monokrystalech YBa2Cu3Ó6.3: Photodoping do kovového stavu “. Dopisy o fyzické kontrole. 67 (18): 2581–2584. doi:10.1103 / PhysRevLett.67.2581. ISSN  0031-9007.
  14. ^ Fausti, D .; Tobey, R. I .; Dean, N .; Kaiser, S .; Dienst, A .; Hoffmann, M. C .; Pyon, S .; Takayama, T .; Takagi, H .; Cavalleri, A. (2011). "Světlem indukovaná supravodivost v proužkově uspořádaném cuprate". Věda. 331 (6014): 189–191. doi:10.1126 / science.1197294. ISSN  0036-8075.