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原创 超短激光用来探测有机超导体生成的二次谐波

今天小编为大家带来了一篇《原创 超短激光用来探测有机超导体生成的二次谐波》的文章,感兴趣的读者朋友可以跟着小编一起看一看。

原标题:超短激光用来探测有机超导体生成的二次谐波

Ultra-Short Laser to Detect Second Harmonic Generation in Organic Superconductors

超短激光用来探测有机超导体生成的二次谐波

在当代信息技术中 ,中央处理器(central processing unit,简称CPU)中电子的移动承担着加工和传输数据的功能。

有机超导体 κ-BEDT-TTF 化合物中由于倍频非线性电流诱导产生的SHG的示意图

电路中电子的移动通过外加电场以一定的方向移动。例如,CPU时钟,显示电子运动的开关操作频率,大约在千兆赫。与之相反,光的振荡光场 的 频率大约在兆赫,具有获得电子运动开关操作频率达到兆赫的能力。如果电子的运动以光的频率进行移动的话,数据处理的速率同传统的计算机相比,可以达到可以快上百万倍 。

但是,光的电磁振荡从里没有极化电流 (即,平均电流在光的脉冲时间为零的时候)。这是因为光场的振动要么是空间上对称,要么是时间对称的。

来自日本东北大学、名古屋大学、分子科学研究所、日本冈山理科大学以及东京都 / 私立中央大学的研究小组,在最近利用超短脉冲激光照射并成功的将有机超导体中的电子转移成以特定的方向进行运动。

根据欧姆定律,诱导的电流(也即电子的运动方向)是同施加的电场呈正比的。必须要注意的是,依据欧姆定律,在固态中电子有时候是会分散的。因此,电子-电子和/或电子-声子的分散过程决定着材料的电阻。

但是如果施加的电场可以在时间尺度比分散的时间要短的话,在固态中的电子缺乏足够的时间来进行平均。电子应该代替成加速的状态,从而产生极化净电流 。

因此,该研究团队使用超短激光脉冲以期望获得这一分散的自由电流。这些脉冲足够的短,比电子散射时间要短的多(有机超导中大约为40 fm)。

但是这一实验有一个主要的障碍:就是不可能获得诸如短时电流的电气检测,因此,该研究团队使用光学探测器来完成。而且,众所周知,二次谐波生成(second harmonic generation (SHG) )是优先选用的用来识别电子对称破缺 的方法,正如铁电材料中的宏观偶极矩一样。极化电流,是另外一种电子对称破缺,也可以实现二次谐波生成。

项目团队使用超短脉冲激光,该脉冲激光的脉冲宽度大约为6 fs (6 × 10−15 seconds),施加到有机中心对称超导体上,称之为κ-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br,并且,识别为SHG(二次谐波生成),如上图所示。但这同常规的认知存在差别,这是因为SHG(二次谐波生成)只有在这些材料中的空间对称性不完整的时候才会发生。

在中心对称超导体 中 SHG(二次谐波生成)的识别则意味着极化净电流在光照射的时候发生。

为了证实这一非线性极化电流,研究团队分析了载波包络相位(CEP:相对相存在于光的振荡及其他的包络中)依靠SHG,这是因为受到电流的诱导,CEP比较敏感的本质所决定的。

随着CEP的变化,SHG强度呈现周期性的变化,并被观察到,确实可以归因于散射自由电流的功劳。

研究团队进一步的研究则表明 超导性和散射自由电流之间存在关联。当前的研究则表明SHG的确在不高于15K(远远高于导转变温度,TSC(超导转变温度)= 11.5 KC)的温度下可以识别出来。

研究结果同时也表明SHG的快速识别建立在转变温度不高于 25 K (∼2 × TSC)的基础之上的。这表明自由散射电流是超导波动的响应。

在大多数超导体中,超导的微观种子,或言之超导波动,在温度高于超导转变温度的时候可以探测到。二次谐波的强度的增加似乎同超导性的变化相关。

随着对散射自由非线性倍频电流 的进一步的理解,我们有可能使得电脑的太赫兹运行速度可以是现行的千兆赫运行速度的一百万倍。这一现象可以用来作为阐述超导状态的微观机理,因为它对超导的波动非常敏感。

采用SHG和 双光子激发荧光对细胞成像和(细) 胞外基质进行观察的结果 With further understanding of the scattering-free non-linear petahertz current, we may be able to make computers with an operation speed of petahertz which is million times faster than the present ones of gigahertz. This phenomenon can be used also as a tool to elucidate the microscopic mechanism of superconducting states, because it is sensitive to the superconducting fluctuation. Study Researchers

文章来源:

Kawakami, Y., et al. (2020) Petahertz non-linear current in a centrosymmetric organic superconductor. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-020-17776-3.

参考资料:Imaging cells and extracellular matrix in vivo by using second-harmonic generation and two-photon excited fluorescence,

Aikaterini Zoumi, Alvin Yeh, and Bruce J. Tromberg,PNAS August 20, 2002 99 (17) 11014-11019; https://doi.org/10.1073/pnas.172368799,

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