Mit fortschrittlichen Lasertechniken die Geheimnisse der Quantenforschung entschlüsseln

Wissenschaftliche Entdeckungen werden durch bahnbrechende Entwicklungen vorangetrieben, die unser Verständnis des Universums drastisch erweitern, insbesondere im Bereich der Quantenmechanik. Die Quantentheorie von Max Planck ist der Grundstein für die Entstehung dieses Fachgebiets und hat die Grundlage für die Quantenmechanik gelegt, die für die Erforschung atomarer und subatomarer Phänomene unerlässlich war. 

Heute steht Dr. David Hsieh, Leiter der Hsieh-Forschungsgruppe am California Institute of Technology, mit seiner Arbeit an Quantenmaterialien, die die komplexen Wechselwirkungen stark korrelierter Elektronensysteme entschlüsseln, an vorderster Front dieser Entwicklung. Seine Forschung hat bedeutende Fortschritte beim Verständnis der exotischen Phänomene gemacht, die sich aus diesen Wechselwirkungen ergeben. Von zentraler Bedeutung für diese bahnbrechende Arbeit ist der Einsatz des Coherent Astrella Lasers, der für den Erfolg von Dr. Hsiehs Forschungen ausschlaggebend ist. Er ermöglicht es ihm und seinem Team, Quantenmaterialien mit bisher unerreichter Präzision und Genauigkeit zu untersuchen und zu manipulieren, und bietet Dr. Hsieh eine noch nie dagewesene Vielseitigkeit. Zur Vielseitigkeit des Lasers sagte Dr. Hsieh: „Der Laser wird ausschließlich von meinem Labor genutzt. Es ist kein gemeinsames Instrument ... Unser Labor hat mehrere Projekte, die im Rahmen verschiedener Zuschüsse finanziert werden und jeweils unterschiedliche Arten der Sondierung erfordern ... viele werden mit demselben Laser betrieben.“

Pionierarbeit bei der Erforschung von Systemen mit stark korrelierten Elektronen

Die Forschung von Dr. Hsieh konzentriert sich auf Quantenmaterialien, insbesondere auf sogenannte stark korrelierte Elektronensysteme. Diese Materialien zeichnen sich durch intensive Wechselwirkungen zwischen Elektronen aus, die zu kollektivem Verhalten führen, das sich klassischen Erklärungen entzieht. Ein wesentlicher Teil von Dr. Hsiehs Forschung konzentriert sich auf Mott-Isolatoren, eine Klasse von Materialien, die aufgrund der starken Wechselwirkungen zwischen Elektronen isolierend sind. Mott-Isolatoren sind eng mit Hochtemperatur-Supraleitern verwandt und weisen faszinierende magnetische Eigenschaften auf, wie zum Beispiel eine antiferromagnetische Ordnung. 

Das Labor von Dr. Hsieh versucht, die mikroskopischen Eigenschaften dieser Materialien mithilfe fortschrittlicher Lasertechniken zu verstehen und das Wechselspiel zwischen Ladung und Drehung in diesen Systemen zu erforschen, wobei es sich vor allem auf eine Art von Quasiteilchen konzentriert, das so genannte Hubbard-Exziton. Im Gegensatz zu herkömmlichen Exzitonen, die durch Coulomb-Kräfte gebunden sind, sind Hubbard-Exzitonen durch magnetische Wechselwirkungen gebunden, was neue Einblicke in das Verhalten von Quantenmaterialien ermöglicht.

Lasergesteuerte Entdeckungen in antiferromagnetischen Mott-Isolatoren

In seiner neuesten Arbeit „A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator“ (Ein Hubbard-Exziton-Fluid in einem photodotierten antiferromagnetischen Mott-Isolator) erforscht Dr. Hsieh die komplizierte Dynamik von Hubbard-Exzitonen in Mott-Isolatoren unter Verwendung des Astrella Lasers.¹ Die Studie liefert experimentelle Beweise für die Existenz stabiler Hubbard-Exzitonen,  die als Plattform für die Überprüfung vieler theoretischer Vorhersagen dienen können. Durch den Einsatz von zeitaufgelöster Terahertz-Spektroskopie identifizierte das Team von Dr. Hsieh die einzigartigen spektralen Fingerabdrücke von Hubbard-Exzitonen und deckte so deren Bindungsmechanismen und mögliche zukünftige Materialanwendungen auf. Die Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Quantenmaterialien dar, da sie neue Wege für die Erforschung des subtilen Zusammenspiels von Drehung und Ladung  in diesen exotischen Systemen eröffnet und die hochentwickelte Natur des Astrella Lasers vor Augen führt.

Eine der Schlüsseltechniken, die er in seiner Forschung häufig einsetzt, ist die Pump-Probe-Spektroskopie. Bei dieser Methode werden zwei synchronisierte Laserpulse eingesetzt: einer zur Anregung des Materials, der andere zur Untersuchung. Der Astrella Laser mit seinen ultrakurzen Pulsen und hohen Feldstärken ist für den Erfolg dieser Experimente entscheidend. Mit diesen Pulsen kann sein Team erforschen, was passiert, wenn die Materialien weit aus dem thermischen Gleichgewicht gebracht werden, und die Dynamik von Elektronen, Gitterschwingungen und mehr auf Femtosekunden- und Pikosekunden-Zeitskalen aufdecken. Die außergewöhnliche Leistung des Lasers gewährleistet, dass die untersuchten subtilen und vorübergehenden Phänomene mit höchster Genauigkeit erfasst werden.

Der Astrella Laser von Coherent hat sich in Dr. Hsiehs Labor als unverzichtbares Forschungsinstrument erwiesen. Seine Fähigkeit, stabile, hochintensive Pulse über längere Zeiträume zu erzeugen, ist für die in seinem Labor durchgeführten Langzeitexperimente, bei denen es auf Präzision ankommt, absolut unerlässlich. „Die Robustheit und Stabilität des Astrella Lasers haben es uns ermöglicht, den Quantenbereich mit minimalen Störungen durch Umgebungsschwankungen zu erforschen, was die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit unserer Ergebnisse sicherstellt“, sagt Dr. Hsieh. 

Bemerkenswert ist, dass der Astrella Laser außerordentlich zuverlässig ist, wie die mehr als 55.000 Stunden Dauerbetrieb in seinem Labor (mit Ausnahme der Weihnachtsfeiertage) belegen – eine außergewöhnliche Leistung, die für die technische Exzellenz des Lasers spricht. Diese Langzeitzuverlässigkeit war für Dr. Hsiehs Forschung von entscheidender Bedeutung, da sie ununterbrochene Fortschritte bei mehreren Projekten ermöglichte, von denen jedes die Grenzen der Quantenmaterialwissenschaft erweitert hat.

Referenz: 

1. Mehio, O., Li, X., Ning, H. et al. A Hubbard exciton fluid in a photo-doped antiferromagnetic Mott insulator. Nat. Phys. 19, 1876–1882 (2023). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02204-2 

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