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

In de wereld van de natuurkunde streven materialen meestal naar een staat van evenwicht. Wanneer een magneet afkoelt, lijnen de interne atomen zich in een specifieke orde uit, en verandert het materiaal op een voorspelbare manier van eigenschappen. Dit is een faseovergang, een fundamentele verschuiving die plaatsvindt terwijl het systeem zich in thermisch evenwicht bevindt, een staat waarin energie gelijkmatig verdeeld is en de wetten van de natuurkunde er hetzelfde uitzien of de tijd nu vooruit of achteruit beweegt. Decennialang hebben wetenschappers deze overgangen bestudeerd om te begrijpen hoe materie zich gedraagt onder verschillende omstandigheden, van het bevriezen van water tot de supergeleiding van metalen. De natuur herbergt echter ook toestanden die ver verwijderd zijn van deze rustige balans. Wanneer een systeem hard wordt gedreven door een externe kracht, zoals een lichtflits, kan het een chaotische, niet-evenwichtstoestand betreden waarin energie constant wordt toegevoerd en weer verloren gaat. In deze extreme omstandigheden vallen de gebruikelijke regels van symmetrie weg, wat de deur opent naar geheel nieuwe soorten gedrag die niet kunnen bestaan in een rustig, stabiel systeem.

Een team van onderzoekers heeft nu een van deze ongrijpbare gedragingen vastgelegd in een massief blok materiaal, een ontdekking die de kloof overbrugt tussen de theoretische natuurkunde en de tastbare wereld van de gecondenseerde materie. Werkend met een kristal van europiumoxide, een ferromagnetische halfgeleider, gebruikten de wetenschappers ultrasnelle laserpulsen om het materiaal uit zijn evenwichtstoestand te schokken. Door nauwkeurig te meten hoe het kristal licht reflecteerde over de tijd, observeerden zij een dramatische verschuiving in de manier waarop het materiaal terugkeerde naar rust. Bij bepaalde temperaturen veranderde de respons van het materiaal van een eenvoudig, voorspelbaar verval naar een complex, oscillerend patroon dat de standaardregels van de evenwichtsfysica tart. Deze transitie markeert de komst van een niet-Hermitische faseovergang, een fenomeen waarbij de aard van de dynamica van het materiaal zelf verandert bij een kritiek punt, wat een nieuwe staat van materie creëert die wordt gedefinieerd door beweging in plaats van door statische structuur.

Het experiment vond plaats in een laboratorium waar een enkel kristal van europiumoxide werd afgekoeld naar verschillende temperaturen, variërend van nabij het absolute nulpunt tot kamertemperatuur. De onderzoekers vuurden een korte, intense puls van laserlicht op het kristal, wat werkte als een hamer die een bel slaat, waardoor elektronen uit hun stabiele posities werden geslagen en in een hogere energietoestand werden gebracht. Dit creëerde een tijdelijke populatie van aangeslagen deeltjes binnen het materiaal. Om te zien wat er daarna gebeurde, vuurden zij een fractie van een seconde later een tweede, zwakkere lichtpuls op het kristal, waarbij zij maten hoeveel licht er terugkaatste. Door dit proces te herhalen met verschillende tijdsvertragingen en bij verschillende temperaturen, bouwden zij een film van het herstelproces van het materiaal.

Bij lagere temperaturen gedroeg het kristal zich op een manier die bekend was bij natuurkundigen. De aangeslagen elektronen keerden terug naar hun grondtoestand via twee duidelijke, onafhankelijke paden, wat ervoor zorgde dat het gereflecteerde lichtsignaal wegstierf in een vloeiende, dubbel-exponentiële curve. Dit is typisch gedrag voor een systeem waarbij energie op een rechtlijnige manier dissipeert. Echter, naarmate de onderzoekers de temperatuur verhoogden, vond er een vreemde transformatie plaats. Bij een specifieke drempel van 84 Kelvin smolten de twee afzonderlijke vervalpaden plotseling samen tot één. In plaats van vloeiend weg te sterven, begon het signaal te oscilleren, waarbij het opkwam en afnam in een complex patroon dat alleen beschreven kon worden door een enkele, complexe vervalsnelheid. Dit kritieke punt, waar de twee verschillende modi van gedrag in elkaar stortten, staat bekend als een exceptional point (uitzonderlijk punt), en het signaleert het begin van een niet-Hermitische faseovergang.

De onderzoekers waren zorgvuldig om andere mogelijke verklaringen voor dit vreemde gedrag uit te sluiten. Ze overwogen of het negatieve signaal dat zij observeerden veroorzaakt kon worden door veelvoorkomende effecten zoals de recombinatie van elektronen en gaten op een manier die het aantal lichtgevende deeltjes vermindert, of door trillingen in het kristalrooster. Zij stelden vast dat geen van deze standaardmechanismen de specifieke manier kon verklaren waarop het signaal veranderde met de temperatuur of de intensiteit van de laserpuls. Het enige model dat perfect bij de data paste, was een model dat rekening hield met de unieke wisselwerking tussen de aangeslagen elektronen en de magnetische momenten van de europiumatomen. In dit model kunnen de aangeslagen elektronen hun spin omdraaien, waardoor ze een "donkere" staat worden die geen licht kan uitzenden, en vervolgens weer terugdraaien. De balans tussen deze twee toestanden wordt door de temperatuur beïnvloed, en op het kritieke punt verliest het systeem zijn vermogen om onderscheid te maken tussen de twee, wat leidt tot de geobserveerde complexe dynamica.

Deze ontdekking is significant omdat het bewijst dat deze exotische faseovergangen niet slechts theoretische curiositeiten zijn die beperkt zijn tot minuscule, geïsoleerde systemen zoals atomen in een vacuüm of fotonen in een holte. Ze kunnen voorkomen in een bulkvast lichaam, een materiaal dat je in je hand kunt houden. De studie toont aan dat door een materiaal ver uit evenwicht te drijven, wetenschappers toegang krijgen tot een nieuw regime van de natuurkunde waar de dynamica van het systeem wordt beheerst door andere regels. De transitie vindt plaats bij een temperatuur die afwijkt van het gebruikelijke magnetische ordeningspunt van het materiaal, wat suggereert dat deze twee fenomenen, hoewel gerelateerd, fundamenteel verschillend zijn. De onderzoekers ontdekten dat het punt waar deze transitie plaatsvindt niet vaststaat; het kan worden verschoven door de intensiteit van de laserpuls te veranderen, wat een manier biedt om de eigenschappen van het materiaal met licht te sturen.

De implicaties van dit werk reiken verder dan het specifieke kristal dat in het experiment werd gebruikt. Het theoretische kader dat door het team is ontwikkeld, suggereert dat soortgelijke transities kunnen bestaan in een breed scala aan andere materialen die gekoppelde componenten hebben, zoals verschillende soorten excitaties of spins. Als deze transities gecontroleerd kunnen worden, zouden ze een zeer gevoelige manier kunnen bieden om de dynamische eigenschappen van materialen te manipuleren, wat potentieel kan leiden tot nieuwe technologieën voor het beheersen van licht en magnetisme. Voor nu staat de bevinding als een heldere demonstratie dat de wetten van de natuurkunde die de stille, gebalanceerde wereld van het evenwicht beheersen, slechts een deel van het verhaal zijn. In de chaotische, gedreven wereld van het niet-evenwicht kan materie nieuwe vormen aannemen, waarbij gedragingen aan het licht komen die even rijk en complex zijn als de materialen zelf.