La onda de densidad de carga (ODC) es un estado cuántico macroscópico en el que la densidad electrónica y la red están moduladas periódicamente. En el dicalcogenuro de metal de transición TiSe₂, la ODC aparece por debajo de unos 200 K y posee varias propiedades inusuales: fuertes fluctuaciones, posible quiralidad, fases ocultas y conmutación ultrarrápida. La espectroscopía femtosegunda ya había permitido observar la fusión de la ODC y las vibraciones coherentes del modo de amplitud; sin embargo, seguía sin estar claro cómo se relacionan esas vibraciones y los portadores fotogenerados con las transiciones ópticas. Este trabajo llena ese vacío utilizando la resolución espectral del haz de prueba cerca de una transición importante a 1,5 eV, que se emplea con frecuencia en las mediciones ultrarrápidas.
Las mediciones se realizaron mediante espectroscopía óptica de bombeo y prueba con resolución temporal y espectral. Se utilizó un oscilador de titanio-zafiro con una longitud de onda central de 825 nm, una duración de pulso de 35 fs y una frecuencia de repetición de 80 MHz. Para aislar componentes espectrales estrechas del haz de prueba reflejado se empleó un monocromador casero con red de difracción y rendijas de 500 µm de ancho, lo que daba una resolución inferior a 7 nm. La muestra de TiSe₂ se enfrió hasta 4,8 K en un criostato de ciclo cerrado. La densidad de energía de bombeo absorbida era de 3,45 µJ/cm², por debajo del umbral de fusión de la ODC. La parte no oscilatoria de la señal se aisló ajustando una función biexponencial con un desplazamiento constante, y los modos oscilatorios se analizaron mediante la transformada rápida de Fourier.
La señal ΔR/R con resolución espectral muestra un cambio de signo cerca de la energía del haz de prueba de 1,52 eV: positiva en el lado de baja energía y negativa en el de alta energía. Este rasgo se explica por un corrimiento al rojo de la energía de la transición óptica en el punto M de la zona de Brillouin, causado por los portadores fotogenerados y el calentamiento de la red. Los tiempos de relajación de la parte no oscilatoria fueron τ₁ = 608 fs y τ₂ = 6,0 ps, lo que concuerda con los tiempos de vida de los portadores medidos mediante tr-ARPES. En la respuesta oscilatoria se identificaron cuatro modos: el fonón óptico A₁g a 6,2 THz y tres modos asociados a la ODC: el modo de amplitud (AM) a 3,5 THz y dos modos fonónicos plegados de banda (ZFP1 a 3,4 THz y ZFP2 a 5,2 THz). Las amplitudes de los modos de la ODC alcanzan un máximo cerca de 1,48 eV, mientras que la amplitud del fonón A₁g se suprime en esa región y aumenta en los extremos del espectro. Esto indica una distinta intensidad de acoplamiento con la transición óptica en el punto M.
El trabajo demuestra que las distintas vibraciones coherentes del estado de ODC del TiSe₂ interactúan de manera diferente con las transiciones ópticas. El fonón óptico A₁g modula la energía de la transición en el punto M a través del potencial de deformación, lo que da lugar a una forma derivada en la dependencia espectral. Los modos asociados a la ODC parecen estar más acoplados a transiciones sensibles al parámetro de orden de la ODC que a la transición en el punto M. Esto abre el camino al control óptico selectivo de modos vibracionales individuales en materiales laminares y profundiza la comprensión de la microscopía de los procesos ultrarrápidos en sistemas con ODC.
Una dirección prometedora es el cálculo teórico de las transiciones ópticas en el TiSe₂ teniendo en cuenta la interacción electrón-fonón, para determinar con precisión qué transiciones modula cada modo. También resulta interesante estudiar la dependencia del acoplamiento con la temperatura y el nivel de dopaje, así como extender el método a otros materiales con ODC, por ejemplo, a los dicalcogenuros de tántalo o de niobio. Es posible utilizar muestras bidimensionales para amplificar los efectos y estudiar la influencia de la dimensionalidad.
Los resultados pueden ser útiles para el desarrollo de conmutadores ópticos ultrarrápidos y dispositivos basados en la ODC, así como para el control de fonones coherentes en optoelectrónica.
Se planea realizar cálculos de la estructura de bandas y de los espectros de reflexión teniendo en cuenta modos fonónicos concretos, así como llevar a cabo mediciones con un rango más amplio de energías del haz de prueba para identificar otras transiciones.
En la física de la ODC sigue sin resolverse la cuestión del mecanismo de formación de la ODC y el papel de las correlaciones excitónicas. Este trabajo vincula la dinámica del parámetro de orden con transiciones ópticas concretas, lo que puede ayudar a distinguir el mecanismo excitónico de uno puramente electrónico. También se aclara cómo influyen los fonones coherentes en la estructura electrónica cerca de la transición, algo importante para comprender las fases fuera del equilibrio.
La temperatura de 4,8 K a la que se realizaron las mediciones está solo un poco por encima del punto de ebullición del helio líquido (4,2 K). A esa temperatura la amplitud de los fonones coherentes es máxima y el estado de ODC es estable, lo que permite resolver incluso modos cercanos en frecuencia que difieren en apenas 0,1 THz.