Znanstvene vijesti — 21.02.2020.

Ultrafast hot phonon dynamics in MgB2 driven by anisotropic electron-phonon coupling

Naš kolega Dino Novko u suradnji sa znanstvenicima sa Sveučilišta Humboldt u Njemačkoj i Istituto di Struttura della Materia u Italiji objavio je članak u prestižnom časopisu Physical Review Letters. Autori istražuju jedinstvenu dinamiku vrućeg E2g fononskog moda u MgB2 pomoću teoretskih pristupa kvantnog polja iz prvog principa.

Ultrafast hot phonon dynamics in MgB2 driven by anisotropic electron-phonon coupling 

D. Novko, F. Caruso, C. Draxl, and E. Cappelluti, Physical Review Letters 124, 077001 (2020).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.077001

Posljednjih godina vremenski razlučivi “pump-probe” eksperimenti pokazali su se kao moćan alat za istraživanje dinamike mnogočestičnih procesa u sustavima koji su izbačeni iz ravnoteže, spektar pojava koji se nije mogao istražiti pomoću statičkih proba. Mogućnost aktiviranja vrućih fonona (eng. “hot phonons”), koncept široko istražen u grafenu i dvodimenzionalnim poluvodičima, otvara put modeliranju prijenosa energije između različitih stupnjeva slobode te selektivnom podešavanju optičkih karakteristika direktno vezanih uz fononske rezonancije. 

Poznata je činjenica da intermetalni binarni spoj MgB2 prelazi u supravodljivo stanje ispod 40 K. Unatoč jednostavnoj strukturi i relativno niskoj temperaturi supravodljivog prijelaza u usporedbi s nekim kupratima, MgB2 pokazuje mnoštvo neobičnih karakteristika. Ono što se posebno ističe je anizotropna elektronska struktura koja rezultira u dva supravodljiva procjepa koja proizlaze iz različitih jačina elektron-phonon vezanja, to jest iz izrazite anizotropije tog vezanja. Budući da je elektron-fonon vezanje snažno koncentrirano u nekoliko planarna E2g fononska moda, dugovalni E2g mod je već detaljno istražen pomoću eksperimentalnih i teorijskih metoda. Tako na primjer nedavni rezultati vremenski razlučive spektroskopije sugeriraju da u MgB2 postoji vrlo zanimljiva dinamika vrućeg E2g fonona. Međutim, izravno opažanje fizike vrućih fonona u MgB2 je izostalo, i potrebni su daljnji uvjerljivi dokazi.

U ovom radu pokazuje se pomoću ab-initio tehnika te teorije kvantnog polja da osebujna anizotropija interakcije elektrona i fonona u MgB2 pruža novi put za pobuđenje vrućih E2g fonona. Potonji fononski stupnjevi slobode igraju presudnu ulogu u ovom materijalu, kontrolirajući mehanizme raspršenja u normalnom stanju kao i u supravodljivom sparivanju. Vremenski razlučiva dinamika elektronskih i vibracijskih stupnjeva slobode je u potpunosti uračunata, te se simuliraju i predviđaju karakteristični spektralni otisci fizike vrućih fonona u vremenski razlučenoj Raman spektroskopiji. S teorijske strane, takva studija omogućuje i otkrivanje fundamentalnih neadijabatskih efekta E2g fononskog moda, za koje se prethodno pretpostavljalo da su ključni u ovom spoju. Vremenski razlučeni mikroskopski uvidi koje prezentirana teorija pruža su od velikog značaja za razumijevanje protoka energije između elektronskog i vibracijskog podsustava u materijalima s jakim i nekonvencionalnim elektron-fonon vezanjem.

Fig. 1 (a) Vremenska ovisnost efektivnih temperatura elektrona i fonona Te, TE2g, Tph u MgB2 dobivena iz modela tri temperature. Isprekidana linija pokazuje profil pulsa. Apsorbirani tok impulsa je 12 J/m2, trajanje impulsa je 45 fs. (b) Omjer između intenziteta Stokes (IS) i anti-Stokes (IAS) E2g Raman signala.

Fig. 1 (a) Vremenska ovisnost efektivnih temperatura elektrona i fonona Te, TE2g, Tph u MgB2 dobivena iz modela tri temperature. Isprekidana linija pokazuje profil pulsa. Apsorbirani tok impulsa je 12 J/m2, trajanje impulsa je 45 fs. (b) Omjer između intenziteta Stokes (IS) i anti-Stokes (IAS) E2g Raman signala.

Fig. 2 (a)-(b) Intenzitet fononske spektralne funkcije B za F = 12 J/m2 (panel a) i za F = 30 J/m2 (panel b). Vremenska evolucija (c) Ramanovih vrhova i (d) širina fononskih linija dobivenih pomoću vlastite energije fonona za F1 = 12 J/m2 (puni krugovi) i za F2 = 30 J/m2 (otvoreni krugovi). Prikazani su i rezultati dobiveni samo pomoću neadijabatskog intraband doprinosa i za F2 = 30 J/m2 (otvoreni kvadrati). Isprekidana vodoravna linija na panelu (c) prikazuje adijabatsku energiju E2g moda.

Fig. 2 (a)-(b) Intenzitet fononske spektralne funkcije B za F = 12 J/m2 (panel a) i za F = 30 J/m2 (panel b). Vremenska evolucija (c) Ramanovih vrhova i (d) širina fononskih linija dobivenih pomoću vlastite energije fonona za F1 = 12 J/m2 (puni krugovi) i za F2 = 30 J/m2 (otvoreni krugovi). Prikazani su i rezultati dobiveni samo pomoću neadijabatskog intraband doprinosa i za F2 = 30 J/m2 (otvoreni kvadrati). Isprekidana vodoravna linija na panelu (c) prikazuje adijabatsku energiju E2g moda.

IF Ⓒ 2017