Discovery of a non-Hermitian phase transition in a bulk condensed-matter system

In der Welt der Physik pendeln sich Materialien normalerweise in einem Zustand des Gleichgewichts ein. Wenn ein Magnet abkühlt, richten sich seine internen Atome in einer spezifischen Ordnung aus, und das Material verändert seine Eigenschaften auf eine vorhersehbare Weise. Dies ist ein Phasenübergang, eine fundamentale Verschiebung, die stattfindet, während das System im thermischen Gleichgewicht verbleibt – einem Zustand, in dem Energie gleichmäßig verteilt ist und die Gesetze der Physik gleich aussehen, ob die Zeit vorwärts oder rückwärts läuft. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler diese Übergänge untersucht, um zu verstehen, wie Materie unter verschiedenen Bedingungen reagiert, vom Gefrieren von Wasser bis hin zur Supraleitfähigkeit von Metallen. Die Natur hält jedoch auch Zustände bereit, die weit von diesem ruhigen Gleichgewicht entfernt sind. Wenn ein System durch eine externe Kraft, wie etwa einen Lichtimpuls, stark angetrieben wird, kann es in einen chaotischen Nichtgleichgewichtszustand eintreten, in dem ständig Energie zugeführt und wieder verloren geht. Unter diesen extremen Bedingungen brechen die üblichen Regeln der Symmetrie zusammen und öffnen die Tür zu völlig neuen Arten von Verhalten, die in einem ruhigen, ruhenden System nicht existieren können.

Ein Forscherteam hat nun eines dieser schwer fassbaren Verhaltensweisen in einem festen Materialblock eingefangen, eine Entdeckung, die die Lücke zwischen theoretischer Physik und der greifbaren Welt der kondensierten Materie schließt. Arbeitend mit einem Kristall aus Europiumoxid, einem ferromagnetischen Halbleiter, nutzten die Wissenschaftler ultrakurze Laserpulse, um den Kristall aus seinem Gleichgewichtszustand zu erschüttern. Durch die sorgfältige Messung der Art und Weise, wie der Kristall Licht über die Zeit reflektierte, beobachteten sie eine dramatische Verschiebung in der Art und Weise, wie das Material in den Ruhezustand zurückkehrte. Bei bestimmten Temperaturen änderte sich die Reaktion des Materials von einem einfachen, vorhersehbaren Abklingen in ein komplexes, oszillierendes Muster, das den Standardregeln der Gleichgewichtsphysik trotzt. Dieser Übergang markiert die Ankunft eines nicht-hermiteschen Phasenübergangs, ein Phänomen, bei dem sich die Natur der Dynamik des Materials an einem kritischen Punkt ändert und einen neuen Materiezustand schafft, der durch seine Bewegung statt durch seine statische Struktur definiert ist.

Das Experiment fand in einem Labor statt, in dem ein einzelner Europiumoxid-Kristall auf verschiedene Temperaturen abgekühlt wurde, die von nahe dem absoluten Nullpunkt bis zur Raumtemperatur reichten. Die Forscher feuerten einen kurzen, intensiven Laserlichtpuls auf den Kristall ab, der wie ein Hammer wirkte, der eine Glocke schlägt, indem er Elektronen aus ihren stabilen Positionen schlug und sie in einen höheren Energiezustand versetzte. Dies erzeugte eine temporäre Population angeregter Teilchen innerhalb des Materials. Um zu sehen, was als Nächstes geschah, feuerten sie einen Bruchteil einer Sekunde später einen zweiten, schwächeren Lichtpuls auf den Kristall und maßen, wie viel Licht zurückgestreut wurde. Durch die Wiederholung dieses Prozesses mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen und bei verschiedenen Temperaturen erstellten sie einen Film des Erholungsprozesses des Materials.

Bei niedrigeren Temperaturen verhielt sich der Kristall auf eine Weise, die Physikern vertraut war. Die angeregten Elektronen kehrten durch zwei unterschiedliche, unabhängige Pfade in ihren Grundzustand zurück, was dazu führte, dass das reflektierte Lichtsignal in einer glatten, doppelt-exponentiellen Kurve abebb. Dies ist ein typisches Verhalten für ein System, in dem Energie auf eine geradlinige Weise dissipiert. Doch als die Forscher die Temperatur erhöhten, geschah eine seltsame Transformation. Bei einer spezifischen Schwelle von 84 Kelvin verschmolzen die zwei separaten Zerfallspfade plötzlich zu einem. Anstatt glatt abzuklingen, begann das Signal zu oszillieren, stieg und fiel in einem komplexen Muster, das nur durch eine einzige, komplexe Zerfallsrate beschrieben werden konnte. Dieser kritische Punkt, an dem die zwei unterschiedlichen Verhaltensmodi zu einem kollabierten, ist als exzeptioneller Punkt bekannt und signalisiert den Beginn eines nicht-hermetischen Phasenübergangs.

Die Forscher waren sorgfältig dabei, andere mögliche Erklärungen für dieses seltsame Verhalten auszuschließen. Sie untersuchten, ob das beobachtete negative Signal durch gewöhnliche Effekte wie die Rekombination von Elektronen und Löchern, die die Anzahl der lichtemittierenden Teilchen reduziert, oder durch Vibrationen im Kristallgitter verursacht werden könnte. Sie fanden heraus, dass keiner dieser Standardmechanismen die spezifische Art und Weise erklären konnte, wie sich das Signal mit der Temperatur oder der Intensität des Laserpulses veränderte. Das einzige Modell, das die Daten perfekt beschrieb, war eines, das das einzigartige Zusammenspiel zwischen den angeregten Elektronen und den magnetischen Momenten der Europiumatome berücksichtigte. In diesem Modell können die angeregten Elektronen ihren Spin umkehren, in einen „dunklen“ Zustand übergehen, der kein Licht emittieren kann, und dann wieder zurückkehren. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Zuständen wird durch die Temperatur beeinflusst, und am kritischen Punkt verliert das System die Fähigkeit, zwischen den beiden zu unterscheiden, was zu der beobachteten komplexen Dynamik führt.

Diese Entdeckung ist bedeutend, weil sie beweist, dass diese exotischen Phasenübergänge nicht nur theoretische Kuriositäten sind, die auf winzige, isolierte Systeme wie Atome im Vakuum oder Photonen in einem Resonator beschränkt sind. Sie können in einem massiven Festkörper auftreten, einem Material, das man in der Hand halten kann. Die Studie zeigt, dass Wissenschaftler durch das Antreiben eines Materials weit weg vom Gleichgewicht einen neuen Bereich der Physik erschließen können, in dem die Dynamik des Systems durch andere Regeln bestimmt wird. Der Übergang findet bei einer Temperatur statt, die von dem üblichen magnetischen Ordnungspunkt des Materials verschieden ist, was darauf hindeutet, dass diese beiden Phänomene, obwohl sie verwandt sind, grundlegend verschieden sind. Die Forscher fanden heraus, dass der Punkt, an dem dieser Übergang stattfindet, nicht fixiert ist; er kann durch Änderung der Intensität des Laserpulses verschoben werden, was eine Möglichkeit bietet, die Eigenschaften des Materials mit Licht zu steuern.

Die Auswirkungen dieser Arbeit reichen über den spezifischen Kristall hinaus, der im Experiment verwendet wurde. Der von dem Team entwickelte theoretische Rahmen legt nahe, dass ähnliche Übergänge in einer Vielzahl anderer Materialien existieren könnten, die gekoppelte Komponenten besitzen, wie etwa verschiedene Arten von Anregungen oder Spins. Wenn diese Übergänge kontrolliert werden können, könnten sie eine hochsensible Methode bieten, um die dynamischen Eigenschaften von Materialien zu manipulieren, was potenziell zu neuen Technologien zur Steuerung von Licht und Magnetismus führen könnte. Vorerst steht die Erkenntnis als klarer Beweis dafür, dass die Gesetze der Physik, die die stille, ausgewogene Welt des Gleichgewichts regeln, nur ein Teil der Geschichte sind. In der chaotischen, angetriebenen Welt des Nichtgleichgewichts kann Materie neue Formen annehmen und Verhaltensweisen offenbaren, die so reich und komplex sind wie die Materialien selbst.