В коррелированных материалах переход металл-изолятор часто сопровождается изменением кристаллической симметрии. Для NdNiO3 при охлаждении ниже 180 K происходит переход из парамагнитного металла с орторомбической решёткой в антиферромагнитный изолятор с моноклинной решёткой. Вопрос о том, сохраняется ли связь между электронным порядком и структурной симметрией при сверхбыстром оптическом возбуждении, оставался открытым. Работа стоит в ряду исследований фотоиндуцированных фаз в никелатах, где обычно электронные и структурные отклики измеряются в отдельных экспериментах, что затрудняет прямое сравнение.
Использовалась тонкая плёнка NdNiO3 толщиной около 15 нм на подложке NdGaO3. Образец возбуждался лазерными импульсами с энергией фотона 1.55 эВ и длительностью около 30 фс. Одновременно регистрировались линейное отражение зондирующего импульса (0.95 эВ) и интенсивность второй гармоники (1.9 эВ), чувствительной к нарушению инверсионной симметрии на поверхности. Измерялась зависимость второй гармоники от поляризации при различных температурах и временных задержках. Введён параметр «моноклинность», количественно характеризующий отклонение поляризационной зависимости от орторомбической симметрии.
При высокой плотности энергии возбуждения (2.9 мДж/см²) отражение падает на 2.3% за время, ограниченное разрешением установки (45 фс), что указывает на быстрый переход в металлическое состояние. Моноклинность меняется с задержкой около 40 фс и значительно медленнее: даже через 225 фс она не достигает уровня высокотемпературной фазы. При промежуточной плотности энергии 0.64 мДж/см² отражение выходит на стационарное металлическое значение, тогда как интенсивность второй гармоники почти полностью восстанавливается, что говорит о сохранении моноклинной симметрии. Амплитуда изменения отражения насыщается при плотностях выше 0.6 мДж/см², а амплитуда второй гармоники продолжает линейно расти, и полное восстановление орторомбической симметрии достигается лишь при 2.3 мДж/см².
Работа показывает, что металлическое состояние может существовать без восстановления высокотемпературной симметрии решётки. Это означает, что нарушение симметрии само по себе не является достаточным условием для изолирующего состояния. Одновременное измерение нескольких параметров порядка в одном эксперименте устраняет неопределённость, связанную с разными условиями в отдельных опытах, и открывает путь к надёжной идентификации неравновесных фаз в коррелированных материалах.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на изучение магнитной структуры оптически индуцированного моноклинного металла и на поиск аналогичных состояний в других никелатах и коррелированных оксидах. Возможно использование методов с временным разрешением, таких как резонансное рассеяние рентгеновских лучей, для прямого наблюдения за порядком зарядовых и спиновых степеней свободы.
Результаты важны для физики сильно коррелированных электронных систем и для разработки устройств на основе переходов металл-изолятор, где управление фазой светом может быть использовано для сверхбыстрого переключения.
Проверить устойчивость моноклинного металла на более длительных временах и при различных температурах. Исследовать влияние эпитаксиальной деформации и химического допирования на порог развязки симметрии и проводимости.
В физике конденсированного состояния остаётся открытым вопрос о минимальном наборе параметров порядка, необходимых для описания перехода металл-изолятор в коррелированных оксидах. Данная работа показывает, что электронная и структурная подсистемы могут эволюционировать независимо, что требует пересмотра упрощённых моделей с жёсткой связью порядков.
Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.
Что сделано в работе
В работе исследован оптически индуцированный переход изолятор-металл в тонкой плёнке NdNiO3. С помощью одновременной регистрации отражения и генерации второй гармоники показано, что металлическое состояние возникает при меньшей энергии возбуждения, чем восстановление высокотемпературной орторомбической симметрии. Обнаружено метастабильное состояние, сочетающее металлическую проводимость с моноклинной симметрией изолирующей фазы.
В чём сила
Одновременное измерение нескольких параметров порядка в одном эксперименте устраняет неопределённость, связанную с разными условиями в отдельных опытах, и открывает путь к надёжной идентификации неравновесных фаз в коррелированных материалах.
Куда можно двигаться
Что можно попробовать
Почему это может быть важно
Развязка электронных и структурных степеней свободы может привести к новым способам управления фазовыми переходами в коррелированных материалах, что важно для приложений в оптоэлектронике и сверхбыстрой электронике.
Работы рядом в нашем архиве
Вокруг этой работы в архиве пусто: ближайший разбор всего на 0.59, при обычных 0.64. Похоже, рядом почти не бурили.
Температура перехода в NdNiO3 составляет около 180 K, что лишь немного выше температуры кипения жидкого азота (77 K), поэтому для наблюдения эффекта достаточно стандартного криостата.
Идея материала, который меняет проводимость, но сохраняет кристаллическую структуру, напоминает концепцию «фазовых переходов без изменения формы» из научной фантастики, например, в романе Айзека Азимова «Сами боги», где вещество может переходить в состояние с иными свойствами без видимых изменений.