Лазер превращает диэлектрик в проводник

06.04.2018

Международная группа ученых впервые теоретически описала, как будут вести себя так называемые моттовские диэлектрики под действием сверхкоротких и очень мощных лазерных импульсов и как должен выглядеть спектр отраженного от их поверхности излучения.

Расчеты показывают, что в этом случае диэлектрик будет превращаться в проводник. В перспективе это явление можно будет использовать для электроники, исследований быстрых процессов и квантовых состояний в веществе.

Диэлектрики - вещества, которые плохо проводят электрический ток, поскольку в них мало свободных электронов, способных легко перемещаться и переносить заряд. В обычных диэлектриках это связано с особенностями распределения электронов по энергетическим уровням, которые возникают в поле кристаллической решетки. Описывает это один из основных разделов квантовой физики - зонная теория.

Моттовские диэлектрики отличаются от обычных тем, что ток в них не может течь совсем по другой причине, из-за сильного взаимодействия между электронами. В них движению электронов, способных создать ток, "мешают" другие электроны, находящиеся на соседних атомах. Своим отталкиванием они "запирают" каждый электрон на своем атоме и делают вещество диэлектриком. Названы они в честь английского физика Невилла Ф. Мотта, лауреата Нобелевской премии 1977 года, который в 1949 году объяснил их возникновение. Моттовские диэлектрики (как правило, это оксиды переходных металлов, например, NiO) перестают проводить ток при охлаждении, когда взаимодействие между электронами становится более существенным.

Эксперименты по воздействию света на вещество начались около 20 лет назад. Но необходимость учитывать взаимодействие электронов затрудняла теоретическое изучение процессов в моттовских диэлектриках. Поэтому до сих пор рассматривались единичные атомы или молекулы с целью изучить поведение электронов на орбиталях атомов. Но никто не занимался изучением поведения самих моттовских диэлектриков в сверхсильном световом поле. Однако последние лет пять экспериментаторы начали переключаться на твердое тело, на кристаллы. Здесь картина намного сложнее, поскольку это многоэлектронная задача, где взаимодействующие электроны влияют на проводимость.

Мпеуиалисты исследовали, как такие материалы будут реагировать на вспышки мощного фемтосекундного лазера, и моделировали, как должен выглядеть спектр отраженного от поверхности излучения, поскольку на его свойства влияют характеристики материала. Под действием сильного переменного поля лазерного луча, падающего на поверхность моттовского диэлектрика, состояние электронов в нем изменяется. Их кинетическая энергия возрастает, и материал теряет свойства диэлектрика. Процесс можно исследовать с помощью так называемой спектроскопии высоких гармоник.

Метод заключается в том, что на материал направляют очень короткие, длиной в десятки или сотни фемтосекунд (10-15 с), импульсы лазера с заданными характеристиками. При отражении луча от материала эти характеристики изменяются, в том числе часть фотонов приобретает в десятки раз большую энергию и частоту колебаний, чем фотоны исходного импульса (это называется генерацией высоких оптических гармоник). По изменению характеристик луча можно судить о свойствах материала.

<< Назад: В теле человека нашли новый орган 07.04.2018

>> Вперед: Мозг собаки реагирует на выражение лица хозяина 06.04.2018

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Новый взляд на магнитное поле Земли 31.10.2025

Магнитное поле Земли долгое время считалось относительно стабильной структурой с предсказуемой полярностью. Однако последние исследования японских ученых показывают, что электрическая организация магнитосферы гораздо сложнее и динамичнее, чем предполагалось ранее. Команда исследователей из Киотского, Нагояского и Кюсюского университетов обнаружила, что заряженные области магнитосферы обладают противоположной полярностью по сравнению с традиционными представлениями. Так, утренняя сторона магнитного щита имеет отрицательный заряд, тогда как вечерняя - положительный, вопреки прежним теориям. Юсуке Эбихара из Киотского университета отмечает, что "электрическая сила и распределение зарядов являются следствием, а не причиной движения плазмы". Исследователи пришли к этим выводам с помощью масштабного магнитогидродинамического моделирования, имитирующего взаимодействие солнечного ветра с геомагнитным полем Земли. Моделирование позволило в деталях проследить, как потоки плазмы формируют э ...>>

Влияние белка PF4 на старение крови 31.10.2025

С возрастом наш организм претерпевает множество изменений, в том числе на уровне крови и иммунной системы. Недавние исследования показали, что ключевым фактором этих изменений может быть белок PF4, или platelet factor 4, который играет важную роль в регуляции стволовых клеток костного мозга. Американские ученые из Университета Иллинойса в Чикаго обнаружили, что с возрастом уровень PF4 значительно снижается. Это ослабление контроля над кроветворными стволовыми клетками приводит к нарушению их работы и повышает вероятность развития воспалительных процессов, онкологических заболеваний крови и сердечно-сосудистых проблем. В молодом организме PF4 выполняет функцию "регулятора роста": он контролирует распределение и деление кроветворных стволовых клеток, не позволяя им чрезмерно размножаться. С возрастом эта система контроля ослабевает, клетки начинают делиться чаще, накапливают генетические мутации и постепенно теряют способность создавать полноценные лимфоциты, что ослабляет иммуните ...>>

Музыка юности остается с нами навсегда 30.10.2025

Музыка сопровождает человека всю жизнь, но некоторые мелодии и песни оставляют особенно глубокий след в памяти. Ученые давно замечали, что композиции из подросткового возраста вызывают сильные эмоции даже спустя десятилетия, и недавно международная команда исследователей под руководством Университета Ювяскюля (Финляндия) подтвердила этот эффект научно. В исследовании приняли участие около 2000 человек из 84 стран. Ученые выявили явление, которое они назвали "пиком воспоминаний": эмоциональная привязка к музыке достигает максимума примерно в 17 лет. Именно песни этого периода чаще всего остаются значимыми и вызывают яркие эмоции долгие годы спустя. Интересно, что у мужчин и женщин наблюдаются разные временные рамки этого пика. У мужчин он приходится примерно на 16 лет, тогда как у женщин - на 19. Исследователи объясняют это различие особенностями формирования музыкальной идентичности: юноши чаще ищут самостоятельность и бунт, а девушки связывают музыку с личными отношениями и пере ...>>

Сплав Cr-Mo-Si с уникальными свойствами 30.10.2025

Разработка материалов, способных работать в экстремальных условиях, остается одной из ключевых задач современной инженерии. Особенно это важно для авиации и энергетики, где повышение термостойкости компонентов напрямую влияет на эффективность и надежность оборудования. Международная группа исследователей объявила о создании нового металлического сплава, обладающего уникальным сочетанием свойств: высокой термостойкостью, устойчивостью к коррозии и сохранением пластичности даже при комнатной температуре. Новый сплав содержит хром, молибден и всего 3 атомных процента кремния. Именно кремний способствует формированию плотного слоя оксида хрома на поверхности металла, который действует как невидимый барьер против кислорода и азота при высоких температурах. В отличие от предыдущих сплавов, этот защитный слой формируется без хрупких силицидов, которые обычно снижали пластичность и делали материалы склонными к трещинам. По словам профессора Мартина Гайльмайера из Института технологий Кар ...>>

Открыт лед, замерзающий при комнатной температуре 29.10.2025

Изучение воды продолжает приносить удивительные открытия: несмотря на то, что эта жидкость кажется хорошо известной, она способна проявлять необычные свойства в экстремальных условиях. Международная команда ученых недавно обнаружила новый вид льда, который формируется при комнатной температуре, если вода подвергается сильному давлению. Это открытие не только расширяет наши знания о воде, но и помогает лучше понять процессы в недрах планет и их спутников. Исследователи из Корейского института стандартов и науки совместно с европейскими коллегами, работающими на рентгеновском лазере на свободных электронах (XFEL) в Германии, провели серию экспериментов с водой в динамической ячейке с алмазными наковальнями. Давление изменялось от 0,001 гигапаскаля до 120 гигапаскалей в секунду - в миллионы раз выше атмосферного, при этом температура поддерживалась около 25 °C, близкой к комнатной. В течение сотен циклов ученые наблюдали, как вода многократно замерзает и тает, фиксируя каждый этап с ис ...>>

Случайная новость из Архива Не только потепление 21.06.2011 Как известно, при сжигании топлива выделяется углекислый газ, который способствует глобальному потеплению. Меньше обращают внимания на то, что при сжигании нефти, газа и угля возникает еще и вода - из водорода, входящего в эти ископаемые топлива. А много ли ее? Австралийский физик Дэвид Уильямс заинтересовался этим вопросом. По его расчетам, за всю историю человечества до 2000 года с дымом горючих ископаемых ушло в воздух 335 кубических километров воды. Считая, что она распределилась по океанам, морям и озерам (общая поверхность около 360 миллионов квадратных километров), их уровень вырос примерно на 0,95 миллиметра. К концу XXI века это повышение уровня за счет сжигания углеводородов составит около четырех миллиметров.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2025