הלייזר הופך את הדיאלקטרי למוליך 06.04.2018

קבוצה בינלאומית של מדענים תיארה לראשונה באופן תיאורטי כיצד מה שנקרא דיאלקטריות Mott יתנהגו תחת פעולת פולסי לייזר קצרים וחזקים מאוד וכיצד אמור להיראות ספקטרום הקרינה המוחזר מפני השטח שלהם.

חישובים מראים שבמקרה זה הדיאלקטרי יהפוך למוליך. בעתיד, תופעה זו יכולה לשמש עבור אלקטרוניקה, מחקרים של תהליכים מהירים ומצבים קוונטיים בחומר.

דיאלקטריים הם חומרים המוליכים חשמל בצורה גרועה, מכיוון שיש להם מעט אלקטרונים חופשיים שיכולים לנוע בקלות ולשאת מטען. בדיאלקטריות רגילות, הדבר נובע מהמוזרויות של התפלגות אלקטרונים על פני רמות אנרגיה המתעוררות בשדה של סריג הגביש. זה מתואר על ידי אחד הסעיפים העיקריים של פיזיקת הקוונטים - תורת הלהקות.

דיאלקטרי Mott שונה מדיאלקטרי רגיל בכך שזרם לא יכול לזרום בהם מסיבה אחרת לגמרי, בגלל האינטראקציה החזקה בין אלקטרונים. בהם, תנועת אלקטרונים המסוגלים ליצור זרם "מופרעת" על ידי אלקטרונים אחרים הנמצאים על אטומים שכנים. על ידי הדחייה שלהם, הם "נועלים" כל אלקטרון על האטום שלו והופכים את החומר לדיאלקטרי. הם נקראים על שם הפיזיקאי האנגלי נוויל פ. מוט, חתן פרס נובל ב-1977, אשר ב-1949 הסביר את התרחשותם. דיאלקטריות Mott (ככלל, אלו הן תחמוצות של מתכות מעבר, למשל, NiO) מפסיקות להוליך זרם כשהן מתקררות, כאשר האינטראקציה בין אלקטרונים הופכת משמעותית יותר.

ניסויים בהשפעת האור על החומר החלו לפני כ-20 שנה. אבל הצורך לקחת בחשבון את האינטראקציה של אלקטרונים הקשה על מחקר תיאורטי של התהליכים בדיאלקטיקה של Mott. לכן, עד כה, נחשבו אטומים בודדים או מולקולות על מנת לחקור את התנהגות האלקטרונים באורביטלים של אטומים. אבל אף אחד לא חקר את ההתנהגות של הדיאלקטריות של Mott עצמם בשדה אור סופר חזק. עם זאת, במהלך חמש השנים האחרונות החלו הנסיינים לעבור למוצקים, לקריסטלים. כאן התמונה הרבה יותר מסובכת, שכן מדובר בבעיה רב-אלקטרונית, שבה האלקטרונים המקיימים אינטראקציה משפיעים על המוליכות.

החוקרים המדומים חקרו כיצד חומרים כאלה יגיבו להבזקים מלייזר פמט-שניות בעל הספק גבוה ודגמו כיצד צריך להיראות ספקטרום הקרינה המוחזר ממשטח, שכן תכונותיו מושפעות ממאפייני החומר. תחת פעולת שדה מתחלף חזק של קרן לייזר הנכנסת על פני השטח של דיאלקטרי Mott, מצב האלקטרונים בו משתנה. האנרגיה הקינטית שלהם עולה והחומר מאבד את תכונותיו הדיאלקטריות. ניתן לחקור את התהליך באמצעות מה שנקרא ספקטרוסקופיה הרמונית גבוהה.

השיטה מורכבת משליחת פולסי לייזר קצרים מאוד, עשרות או מאות פמט-שניות (10-15 שניות) עם מאפיינים מוגדרים לחומר. כאשר האלומה מוחזרת מהחומר, המאפיינים הללו משתנים, כולל חלק מהפוטונים צוברים עשרות מונים יותר אנרגיה ותדירות תנודות מאשר הפוטונים של הפולס הראשוני (זה נקרא יצירת הרמוניות אופטיות גבוהות). על ידי שינוי המאפיינים של הקורה, ניתן לשפוט את תכונות החומר.