สเปกโทรสโกปีฮาร์มอนิกสูงปลดล็อกโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของตัวนำยิ่งยวดไฟฟ้าแรงสูง

แรงดันสูงทำให้เกิดสถานะใหม่ของสสารสำหรับสสารควบแน่น เผยให้เห็นปรากฏการณ์ทางกายภาพและเคมีใหม่ที่น่าตื่นเต้น การค้นพบความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิใกล้ห้อง (Tc ＞ 200 K) ในไฮไดรด์แรงดันสูง เช่น H3S และ LaH10 ได้ดึงดูดความสนใจและความสนใจเป็นอย่างมาก
แม้ว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดจะเพิ่มขึ้นในตัวนำยิ่งยวดแรงดันสูง แต่โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และพฤติกรรมไดนามิกที่เร็วเป็นพิเศษในสถานะควอนตัมแรงดันสูงยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด เนื่องจากขาดโพรบที่มีประสิทธิภาพ และกลไกของความเป็นตัวนำยิ่งยวดยังคงเป็นคำถามเปิดอยู่
การสร้างฮาร์มอนิกที่สูงขึ้น (HHG) เป็นกระบวนการในการแปลงเลเซอร์ที่ตกกระทบไปเป็นรังสีที่มีความสอดคล้องกันอย่างรุนแรงที่หลายเท่าของความถี่เลเซอร์ ในฐานะตัวแทนทั่วไปของทัศนศาสตร์ไม่เชิงเส้น HHG ในของแข็งมีต้นกำเนิดมาจากการขับเคลื่อนแบบไม่เชิงเส้นของอิเล็กตรอนภายในและระหว่างวงโดยปฏิกิริยาระหว่างเลเซอร์กับสสารในสนามพลังแรง เป็นผลให้สเปกตรัม HHG มีลายนิ้วมือของคุณสมบัติอะตอมและอิเล็กทรอนิกส์ในวัสดุตามธรรมชาติ การใช้กระบวนการไดนามิกที่ไม่เชิงเส้นและไม่ก่อกวน ทำให้สามารถพิจารณาคุณสมบัติภายในของวัสดุได้
เมื่อเร็วๆ นี้ กลุ่มนักวิจัยของ Sheng Meng จากสถาบันฟิสิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์จีน/ศูนย์วิจัยแห่งชาติสำหรับฟิสิกส์สสารควบแน่น ในกรุงปักกิ่ง ได้ตรวจสอบพลวัตของ HHG ที่เร็วมากในตัวนำยิ่งยวดแรงดันสูง H3S ด้วยความช่วยเหลือของหลักการแรกซึ่งมีเวลา ทฤษฎีความหนาแน่นเชิงฟังก์ชันโดยใช้วิธีและซอฟต์แวร์ (TDAP) เชิงไดนามิกเชิงฟังก์ชันความหนาแน่นแบบไม่อะเดียแบติกซึ่งมีเวลาประกอบด้วยความหนาแน่นที่พัฒนาขึ้นโดยกลุ่ม พบว่า HHG ในตัวนำยิ่งยวดแรงดันสูงมีการพึ่งพาความยาวคลื่นที่รุนแรงเช่นเดียวกับแอนไอโซโทรปี (รูปที่ 1) ซึ่งบ่งชี้ว่ากระบวนการ HHG ขึ้นอยู่กับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก การวิเคราะห์ความถี่เวลาของ HHG จะกำหนดกลไกจลน์ของการกระเจิงในแบนด์ของฮาร์โมนิกลำดับต่ำ บนพื้นฐานนี้ เมื่อใช้สเปกตรัม HHG พวกเขาได้สร้างโครงสร้างการกระจายตัวของแถบพลังงานขึ้นใหม่ใกล้กับพื้นผิว Fermi (รูปที่ 2) นอกจากนี้ยังพบว่ามีการปรับสเปกตรัม HHG อย่างแข็งแกร่งโดยโฟนันส์ที่สอดคล้องกัน ซึ่งบ่งบอกถึงความไวของกระบวนการ HHG ต่อการมีเพศสัมพันธ์ด้วยไฟฟ้า การใช้สเปกตรัม HHG ที่ถูกมอดูเลตโดยโฟนันที่ต่อเนื่องกัน พวกเขาได้สร้างความแข็งแกร่งขององค์ประกอบเมทริกซ์คัปปลิ้งไฟฟ้าอะคูสติกเพิ่มเติมอีกครั้งใกล้กับพื้นผิว Fermi (รูปที่ 3) การศึกษาครั้งนี้เผยให้เห็นว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างร่างกายจำนวนมาก (การมีเพศสัมพันธ์ด้วยไฟฟ้า) ในวัสดุมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อพฤติกรรมของอิเล็กตรอนใกล้กับระดับพลังงานแฟร์มี ผลลัพธ์ดังกล่าวสนับสนุนกลไกที่ใช้สื่อกลางของโฟนันของตัวนำยิ่งยวดไฟฟ้าแรงสูง และให้แนวทางออปติคอลทั้งหมดในการตรวจสอบโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และการมีเพศสัมพันธ์ด้วยไฟฟ้าในสถานะควอนตัมไฟฟ้าแรงสูง
ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องสรุปได้ว่า "สเปกโทรสโกปีฮาร์โมนิกสูงแบบโซลิดสเตตสำหรับการตรวจสอบโครงสร้างแถบความถี่แสงทั้งหมดสำหรับการตรวจวัดฮาร์มอนิกสเปกโทรสโกปีสูงแบบโซลิดสเตตสำหรับการตรวจวัดโครงสร้างแถบความถี่แสงทั้งหมดของสถานะควอนตัมแรงดันสูง" ได้รับการตีพิมพ์ในรายงานการประชุมของ สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติแห่งสหรัฐอเมริกา (PNAS) Shiqi Hu นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่สถาบันฟิสิกส์ Chinese Academy of Sciences (IPS) เป็นผู้เขียนคนแรกของงานนี้ และ Sheng Meng นักวิจัยที่ IPS เป็นผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง ผู้ที่มีส่วนร่วมในงานนี้ ได้แก่ นักศึกษาปริญญาเอก Daqiang Chen และนักศึกษาปริญญาเอก Lanlin Du งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากโครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญของกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน และโครงการนำร่องของ Chinese Academy of Sciences

รูปที่ 1 การสร้างฮาร์มอนิกสูงในตัวนำยิ่งยวดไฟฟ้าแรงสูง H3S

รูปที่ 2 การสร้างโครงสร้างแถบพลังงานขึ้นใหม่ใน H3S โดยใช้สเปกตรัมฮาร์มอนิกสูง

รูปที่ 3 การสร้างข้อมูลการเชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าอะคูสติกใน H3S ใหม่โดยใช้สเปกตรัมฮาร์มอนิกสูง