Ультрабыстрое размещение электрона в полярной жидкости генерирует коллективные молекулярные колебания в сферическом нановolume. Колебания периодически изменяют диаметр этой сферы более чем на 100 пикосекунд.
Новые результаты, полученные с помощью сверхбыстрой спектроскопии, показывают, как такие колебания в радиальном направлении отличаются от поперечных возбуждений и как они управляют электрическим поведением жидкости. Настройка концентрации генерируемых электронов позволяет адаптировать электрические свойства различных жидкостей. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Research.
Полярные жидкости, такие как вода и спирты, состоят из молекул с электрическим дипольным моментом. Через свои диполи молекулы оказывают электрические силы друг на друга, благодаря чему становятся возможными связанные коллективные движения больших групп молекул.
Коллективные движения напрямую влияют на электрические свойства жидкости, например, на поглощение микроволн, но изучены лишь в ограниченной степени и не поняты на молекулярном уровне.
Ионизация молекул в жидкости с помощью фемтосекундного светового импульса генерирует электроны, которые переносятся в локализованное основное состояние в течение нескольких сотен фемтосекунд. Локализованный электрон встраивается в молекулярное облако нанометрового размера, которое охватывает тысячи молекул.
На ранней стадии процесса локализации возбуждаются коллективные когерентные вибрации молекулярного облака, так называемые поляроны, которые проявляются в периодической модуляции оптического поглощения в терагерцовом диапазоне частот (1 ТГц = 10¹² Гц = 10¹² колебаний в секунду). Частота колебаний определяется концентрацией электронов в жидкости.
Новые результаты, полученные в Институте Макса Борна в Берлине, Германия, демонстрируют, что колебания поляронов связаны с радиальными, то есть продольными движениями молекул в облаке, и что такие колебания отделены от окружающей среды за пределами облака.
Гало сверхпроводимости: теоретик помогает составить карту редкой высокополевой фазы
Удивительная форма сверхпроводимости, возникающая только при сильных магнитных полях, была нанесена на карту и объяснена исследовательской группой, в которую входит Андрей Невидомский, профессор физики и астрономии в Rice University. Их выводы, опубликованные в Science, подробно описывают, как дителлурид урана (UTe₂) развивает сверхпроводящее гало при сильных магнитных полях.
Традиционно учёные считали магнитные поля вредными для сверхпроводников. Даже умеренные магнитные поля обычно ослабляют сверхпроводимость, а более сильные могут разрушить её за известным критическим порогом. Однако UTe₂ бросил вызов этим ожиданиям, когда в 2019 году было обнаружено, что он поддерживает сверхпроводимость в критических полях, в сотни раз более сильных, чем в обычных материалах.
«Когда я впервые увидел экспериментальные данные, я был поражён», — сказал Невидомский, член Rice Advanced Materials Institute и Rice Center for Quantum Materials. «Сверхпроводимость сначала подавлялась магнитным полем, как и ожидалось, но затем вновь появилась в более высоких полях и только для того, что казалось узким направлением поля. Не было немедленного объяснения этому загадочному поведению».
Это явление, первоначально выявленное исследователями из Университета Мэриленда (UMD) и Национального института стандартов и технологий (NIST), захватило внимание физиков по всему миру.
В UTe₂ сверхпроводимость исчезла ниже 10 Тесла, что уже является огромным значением по общепринятым стандартам, но неожиданно вновь появилась при напряжённости поля, превышающей 40 Тесла. Это неожиданное возрождение получило название фазы Лазаря. Исследователи определили, что эта фаза критически зависит от угла приложенного магнитного поля по отношению к кристаллической структуре.
В сотрудничестве с экспериментальными коллегами из UMD и NIST Невидомский решил составить карту угловой зависимости этого высокополевого сверхпроводящего состояния. Их точные измерения показали, что фаза образует тороидальное, или похожее на пончик, гало, окружающее определённую кристаллическую ось.
«Наши измерения выявили трёхмерный сверхпроводящий гало, который охватывает жёсткую b-ось кристалла», — сказала Сильвия Левин из NIST, соавтор исследования. «Это был удивительный и красивый результат».
Для объяснения этих результатов Невидомский разработал теоретическую модель, которая учитывала данные, не полагаясь в значительной степени на обсуждаемые микроскопические механизмы. Его подход использовал эффективную феноменологическую основу с минимальными предположениями об основных силах сцепления, которые связывают электроны в пары Купера.
Модель успешно воспроизвела немонотонную угловую зависимость, наблюдаемую в экспериментах, предлагая понимание того, как ориентация магнитного поля влияет на сверхпроводимость в UTe₂.