Light-Driven Ultrafast Control of Time-Reversal Symmetry in SrTiO3

Materie is niet slechts een verzameling atomen; het is een gestructureerde wereld die wordt beheerst door regels van symmetrie. Stel je een kristal voor als een perfect geordende stad waar elk gebouw een specifieke plaats en oriëntatie heeft. In de natuurkunde dicteren deze arrangementen hoe het materiaal zich gedraagt, wat bepaalt of het elektriciteit geleidt, een magnetisch veld draagt of interageert met licht. Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat als je de ordening van deze atomen verandert, je de eigenschappen van het materiaal verandert. Er is echter een diepere laag aan deze orde: tijdsomkeersymmetrie. Dit concept stelt een eenvoudige vraag: als je een film van de bewegende atomen achteruit zou afspelen, zou de scène er dan precies hetzelfde uitzien als toen deze vooruit liep? In de meeste gewone materialen is het antwoord ja. Maar in magneten is het antwoord nee, omdat de richting van het magnetische veld omklapt wanneer de tijd achteruit loopt. Het verbreken van deze symmetrie is meestal een traag, moeilijk proces dat vereist dat materialen tot extreme temperaturen worden afgekoeld of worden blootgesteld aan sterke magnetische velden. Toch suggereert een nieuwe studie dat licht zelf deze regels in een fractie van een seconde zou kunnen breken, waardoor een niet-magnetisch materiaal in een magnetisch materiaal wordt veranderd, sneller dan een oogwenk.

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology, Emory University en de University of Minnesota hebben dit fenomeen gedemonstreerd in een veelvoorkomend materiaal genaamd strontiumtitaan. Deze stof is een heldere, niet-magnetische isolator, wat betekent dat het geen elektriciteit geleidt en geen inherent magnetisch veld heeft. Het team wilde zien of ze een specifiek type lichtpuls konden gebruiken om het materiaal te dwingen zijn tijdsomkeersymmetrie te verbreken, waardoor het effectief een tijdelijk magnetisch karakter krijgt. Hiervoor gebruikten ze een puls van terahertzstraling, een vorm van licht die zich tussen microgolven en infrarood op het spectrum bevindt. Ze schijnen dit licht niet zomaar op het kristal; ze vormden het zorgvuldig. Door een gespecialiseerde optische opstelling te gebruiken met een lus van spiegels en een draadrooster, splitsten ze de lichtpuls in twee delen en combineerden ze deze met een kleine vertraging. Dit creëerde een puls die draaide terwijl hij reisde, bekend als een elliptisch gepolariseerde golf. Dit draaiende licht draagt impulsmoment (angular momentum), een eigenschap die vergelijkbaar is met de spin van een tol, wat de onderzoekers hoopten te laten interageren met de atomen in het kristal.

Toen dit draaiende licht het strontiumtitaan kristal raakte, gebeurde er iets onverwachts. De onderzoekers maten het licht dat van het kristal terugkaatste met behulp van een techniek genaamd tweede-harmonische generatie, die gevoelig is voor de symmetrie van de interne structuur van het materiaal. Ze ontdekten dat de respons van het kristal veranderde afhankelijk van de richting waarin het licht draaide. Als het kristal perfect symmetrisch zou blijven, zou het licht dat ervan terugkaatst er hetzelfde uitzien, ongeacht de draairichting. In plaats daarvan observeerde het team een duidelijk verschil, een signaal dat alleen verscheen wanneer het licht impulsmoment droeg. Dit verschil bewees dat het draaiende licht de tijdsomkeersymmetrie van het kristal had doorbroken. Het materiaal, dat oorspronkelijk kubisch van vorm was, was tijdelijk overgegaan naar een staat met een lagere symmetrie, waarbij het zich gedroeg alsof er een magnetisch veld door het licht zelf werd geïnduceerd.

De studie ging verder om te bewijzen dat dit effect niet slechts een willekeurige fluctuatie was of het resultaat van het feit dat het licht het materiaal simpelweg opwarmde. De onderzoekers vergeleken de resultaten van de draaiende lichtpulsen met pulsen die niet draaiden. De niet-draaiende pulsen, zelfs wanneer ze zeer sterk waren, produceerden niet hetzelfde symmetrie-brekende signaal. Dit bevestigde dat het cruciale ingrediënt het impulsmoment van het licht was, en niet alleen de intensiteit ervan. Bovendien varieerden de onderzoekers de "spin" van de lichtpuls door de vertraging in hun optische opstelling aan te passen. Ze vonden een directe, lineaire relatie: naarmate het impulsmoment van het licht toenam, nam de sterkte van het symmetrie-brekende signaal evenredig toe. Dit leverde overtuigend bewijs dat het licht direct de magnetische symmetrie van het materiaal controleert.

Om te begrijpen hoe dit werkt, keken het team naar de kwantummechanica van de atomen binnen het kristal. Strontiumtitaan staat bekend als een kwantum-paraelektricum, wat betekent dat de atomen constant trillen op een manier die voorkomt dat ze in een vast, geordend patroon terechtkomen. De onderzoekers ontwikkelden een model dat aantoont dat de draaiende lichtpuls de atomen niet alleen rondduwt als een klassieke golf. In plaats daarvan creëerde het een specifieke kwantumtoestand waarin de atomen op een gecoördineerde manier begonnen te circuleren, wat kleine magnetische momenten genereert. Deze circulatie verbrak de tijdsomkeersymmetrie, waardoor het niet-magnetische kristal voor een vluchtig moment in een magnetisch kristal werd veranderd. De simulaties suggereerden dat dit kwantumeffect veel sterker was dan wat de klassieke fysica zou voorspellen, waardoor het effect zelfs bij kamertemperatuur kon plaatsvinden, wat een belangrijke bevinding is aangezien dergelise delicate kwantumtoestanden gewoonlijk extreme kou vereisen om te overleven.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het begrijpen van een enkel kristal. Door aan te tonen dat licht onmiddellijk de symmetrie en magnetische eigenschappen van een materiaal kan veranderen zonder de noodzaak van externe magneten of extreme temperaturen, hebben de onderzoekers een nieuwe weg geopend voor het beheersen van materie. Deze methode maakt het mogelijk om materiaaleigenschappen te manipuleren op extreem korte tijdschalen, wat potentieel kan leiden tot nieuwe soorten elektronische apparaten die informatie kunnen verwerken met snelheden die ver boven wat momenteel mogelijk is liggen. De studie bevestigt dat het impulsmoment van licht een krachtig instrument is voor het manipuleren van de fundamentele symmetrieën van materie, waarbij een niet-magnetisch oxide in een magnetisch oxide wordt veranderd met een simpele flits van draaiend licht.