Odkrywanie autostrad elektronów kwantowych za pomocą światła laserowego

Izolatory topologiczne, czyli TI, mają dwie strony: elektrony przepływają swobodnie wzdłuż krawędzi ich powierzchni, jak samochody na autostradzie, ale nie mogą w ogóle przepływać przez wnętrze materiału. Potrzeba specjalnego zestawu warunków, aby stworzyć ten wyjątkowy stan kwantowy – częściowo przewodzący elektryczność, a częściowo izolujący – który naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia będą mogli wykorzystać go do takich rzeczy, jak niższa elektronika, obliczenia kwantowe i wykrywanie kwantowe. Na razie próbują tylko zrozumieć, co sprawia, że ​​TI się porusza.

W ramach najnowszych postępów w tym zakresie naukowcy z Krajowego Laboratorium Akceleratora SLAC Departamentu Energii i Uniwersytetu Stanforda systematycznie badali „przejście fazowe”, w którym TI traci swoje właściwości kwantowe i staje się po prostu kolejnym zwykłym izolatorem.

Zrobili to za pomocą belek montażowych z światło lasera do generowania harmonicznych – takich jak wibracje ściętego akordu gitary – z materiałów, które badali. Te harmoniczne ułatwiają rozpoznanie, co dzieje się w warstwie gigantycznej autostrady, a co dzieje się w głębi lądu i zobaczenie, jak jeden stan ustępuje drugiemu, jak donoszą w Fotonika przyrody Dziś.

powiedział Christian Hyde, badacz z tytułem doktora w Stanford Pulse Institute w SLAC, który kierował eksperymentami.

„A ponieważ to podejście oparte na świetle może być wykonywane w laboratorium przy użyciu sprzętu laboratoryjnego, sprawia, że ​​eksploracja tych materiałów jest łatwiejsza i bardziej dostępna niż niektóre poprzednie metody”.

Te odkrycia są ekscytujące, dodał główny badacz PULSE, Shambhu Ghimire, ponieważ pokazują, że nowa metoda umożliwia obserwowanie TI przeskakujących tam iz powrotem między autostradami i stanami izolacji w miarę ich występowania i z najdrobniejszymi szczegółami — podobnie jak przy użyciu aparatu z bardzo szybki czas otwarcia migawki.

Długa podróż harmonicznych

Było to ostatnie z serii badań prowadzonych przez Ghimire’a i dyrektora PULSE Davida Reisa na temat generowania wysokich harmonicznych lub HHG, zjawiska, które przenosi światło laserowe do wyższych energii i częstotliwości, prześwietlając je przez materiał. Częstotliwości są tasowane wyraźnymi krokami, jak nuty tworzone przez naciśnięcie akordu gitary.

W ciągu ostatnich 10 lat ich zespół badawczy był w stanie to zrobić w wielu materiałach, które uważano za mało prawdopodobne lub nawet niemożliwych kandydatów do HHG, w tym w krysztale, zamrożonym gazie argonowym i materiale półprzewodnikowym o grubości atomu. Byli nawet w stanie wytworzyć attosekundowe impulsy laserowe — które mają długość miliardowych części miliardowych części sekundy i mogą być używane do monitorowania i kontrolowania ruchów elektronów — poprzez przeświecanie lasera przez zwykłe szkło.

Cztery lata temu badaczka podoktorancka Denitsa Baykusheva dołączyła do grupy PULSE, aby dowiedzieć się, czy możliwe jest generowanie HHG w izolatorach topologicznych – wyczyn, którego nigdy nie osiągnięto w żadnym materiale kwantowym. W ciągu kilku lat pracy zespół odkrył, że tak, można to zrobić, ale tylko wtedy, gdy światło lasera jest spolaryzowane kołowo.

I to rosnące światło lasera miało dodatkową zaletę: zmieniając jego polaryzację, byli w stanie uzyskać silne, dyskretne sygnały z powierzchni autostrady TI i jej uwięzionego wnętrza. To pozwoliło im łatwo dostrzec, co się dzieje w tych dwóch kontrastujących ze sobą częściach materii.

W bieżącym badaniu postanowili zademonstrować, co może zrobić nowa metoda, zmieniając skład materiału TI, selenku bizmutu i właściwości uderzanych ultrakrótkich impulsów światła laserowego, aby zobaczyć, jak każda grupa wpływa na harmoniczne. stworzone materiały.

Spirale spotykają się z zanieczyszczeniami

Najpierw zabrali swoje próbki do źródła światła synchrotronowego (SSRL) SLAC w celu zbadania przy użyciu techniki rentgenowskiej zwanej spektroskopią fotoemisyjną kątową lub ARPES. To pozwoliło im zawęzić ogólne sąsiedztwo, w którym odbywa się relokacja.

Następnie, z powrotem w laboratorium, zrobili zbliżenie, aby zobaczyć więcej szczegółów.

Przygotowali serię próbek selenku bizmutu – niektóre czyste, a inne zawierające różne poziomy zanieczyszczeń chemicznych, o których wiadomo, że wpływają na zachowanie elektronów. Niektóre próbki były Izolatory topologiczne Inni byli zwykłymi izolatorami.

Następnie uderzają w próbki impulsami laserowymi o różnych energiach, stopniach i kierunkach polaryzacji.

Odkryli, że impulsy spolaryzowane kołowo, zwłaszcza zgodne z ruchem wskazówek zegara, są bardziej skuteczne w wytwarzaniu wysokich harmonicznych z powierzchni autostrad niż izolowanie kawałków materiału. „Różnica między nimi była ogromna” – powiedział Headey, dzięki czemu zespół mógł łatwo odróżnić oba narody.

Podczas gdy czyste próbki były klasycznymi TI, materiał zaczął tracić swoje możliwości topologiczne na poziomie zanieczyszczeń około 4% i całkowicie tracił je o 20%. W tym momencie materiał był zwykłym izolatorem.

Hyde mówi, że ultrakrótkie impulsy laserowe użyte w tym badaniu — około 100 femtosekund lub milionowych części miliardowych sekundy — przechodzą bezpośrednio przez próbkę, nie uszkadzając jej i można je dostroić, aby zbadać dowolne miejsce w jej wnętrzu.

Podobnie jak aparat z ultraszybkim czasem otwarcia migawki, stosunkowo mały i przystępny cenowo zestaw laserowy powinien być w stanie monitorować właściwości przesunięcia topologicznego, a także inne właściwości i procesy elektroniczne, z dużo drobniejszymi szczegółami i tak, jak faktycznie się zmieniają. powiedział Ghimire.

„Jest to jedna z możliwości, która sprawia, że ​​ta całkowicie optyczna metoda jest interesująca i daje jej szeroki zakres potencjalnych zastosowań, coś, co planujemy zbadać w przyszłych eksperymentach” – powiedział.