Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Physics. Если лед взять в руку, то он расплавится, то есть перейдет из твердой фазы в жидкую. В природе существует много подобных фазовых переходов, возникающих при изменении температуры вещества. Однако фазовый переход можно вызвать не только соприкосновением с более горячей или холодной средой, но и воздействием лазера. Лазер тоже изменит температуру, но сделает это очень быстро.

В опубликованной работе международная группа ученых, в которую вошли исследователи из Массачусетского технологического института США (MIT) и Сколтеха, изучала влияние лазерного импульса на фазовый переход, при котором в квантовом материале спонтанно возникает волна зарядовой плотности электронов. Результаты, представленные в статье, указывают на то, что лазерный импульс приводит к возникновению особых долгоживущих микроскопических объектов, называемых топологическими дефектами. Их важно учитывать при дизайне новых оптоэлектронных устройств, использующих материалы данного типа.

Эксперименты, потрясающие свой сложностью, проводила группа ученых из MIT под руководством профессора Нуха Гедика (Nuh Gedik). Современная аппаратура позволила исследователям замерять состояние вещества в кратчайшие временные интервалы. После подачи лазерного импульса изменения в материале фиксировались с временным разрешением меньше, чем одна триллионная доля секунды. Интерпретировать полученные данные и обнаружить топологические дефекты американским коллегам помогла группа физиков-теоретиков из Сколтеха под руководством профессора Бориса Файна.

Топологические фазы в квантовых материалах — горячая тема для физиков, математиков и химиков. В 2016 году Нобелевская премия по физике была присуждена Дэйвиду Таулессу, Майклу Костерлицуи Данкану Холдейну как раз за открытие топологических фаз и топологических фазовых переходов. Влияние топологических дефектов на фазовые переходы впервые было осознано и исследовано в работах советского физика-теоретика Вадима Березинского в начале 1970-х.

«Наше исследование выявило важные различия между фазовыми переходами, индуцированными светом и их равновесными аналогами, — рассказывает Нух Гедик. — С помощью сверхбыстрого лазерного импульса мы “расплавляли“ волну зарядовой плотности, а затем замеряли множество параметров за то очень короткое время, пока система возвращалась к исходному состоянию. Таким образом мы обнаружили признаки возникновения топологических дефектов».

«Необычное поведение электронов в квантовых материалах, где возникает волна зарядовой плотности, очень интересно как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения, — поясняет Борис Файн. — Рассчитать это поведение напрямую практически невозможно, особенно при быстром охлаждении. Поэтому приходится полагаться на тесное взаимодействие с экспериментом. Работа похожа на детективное расследование, в котором нужно принимать в расчет много косвенных улик. Улики, представленные в нашей статье, указывают на то, что топологические дефекты, возникшие в результате лазерного импульса, не позволяют системе быстро вернуться в состояние с однородной волной зарядовой плотности».

«Сотрудничество со Сколтехом сыграло ключевую роль в установлении физической картины, объясняющей наши экспериментальные данные», — комментирует Гедик. Удовлетворение американского коллеги от совместной работы разделяют и российские участники исследования. «Взаимодействие коллегами из MIT было для меня ценнейшим опытом», — говорит аспирант Сколтеха Павел Долгирев. «Их настойчивые вопросы, основанные на эксперименте, заставили нас переосмыслить каждый аспект нашего теоретического понимания», — добавляет ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук Александр Рожков.

Совместное исследование российских и американских ученых стало возможным благодаря программе Next Generation Program (NGP), созданной для поддержки сотрудничества Сколтеха и MIT.