Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Unikke elektriske egenskaber i kvantematerialer kan styres ved hjælp af lys

Mikroskopisk billede af flere elektroder på et ark Weyl semimetal, med røde og blå pile, der viser den cirkulære bevægelse af den lysinducerede elektriske strøm ved enten venstre- (blå) eller højre-cirkulært polariseret lys (højre). Kredit:Zhurun ​​Ji

Indsigt fra kvantefysik har givet ingeniører mulighed for at inkorporere komponenter, der bruges i printkort, optiske fibre, og kontrolsystemer i nye applikationer lige fra smartphones til avancerede mikroprocessorer. Men, selv med betydelige fremskridt i de seneste år, forskere leder stadig efter nye og bedre måder at kontrollere kvantematerialers unikke kraftfulde elektroniske egenskaber på.

En ny undersøgelse fra Penn -forskere fandt ud af, at Weyl semimetaller, en klasse af kvantematerialer, har bulk -kvantetilstande, hvis elektriske egenskaber kan styres ved hjælp af lys. Projektet blev ledet af Ritesh Agarwal og kandidatstuderende Zhurun ​​Ji på School of Engineering and Applied Science i samarbejde med Charles Kane, Eugene Mele, og Andrew M. Rappe på School of Arts and Sciences, sammen med Zheng Liu fra Nanyang Technological University. Penn's Zachariah Addison, Gerui Liu, Wenjing Liu, og Heng Gao, og Nanyangs Peng Yu, også bidraget til arbejdet. Deres resultater blev offentliggjort i Naturmaterialer .

Et tip om disse ukonventionelle fotogalvaniske egenskaber, eller evnen til at generere elektrisk strøm ved hjælp af lys, blev først rapporteret af Agarwal i silicium. Hans gruppe var i stand til at kontrollere bevægelsen af ​​elektrisk strøm ved at ændre kiraliteten, eller den iboende symmetri ved arrangementet af siliciumatomer, på overfladen af ​​materialet.

"På det tidspunkt, vi forsøgte også at forstå egenskaberne ved topologiske isolatorer, men vi kunne ikke bevise, at det vi så kom fra de unikke overfladetilstande, "Forklarer Agarwal.

Derefter, under udførelse af nye eksperimenter på Weyl -halvmetaller, hvor de unikke kvantetilstande findes i hovedparten af ​​materialet, Agarwal og Ji fik resultater, der ikke matchede nogen teorier, der kunne forklare, hvordan det elektriske felt bevægede sig, når det blev aktiveret af lys. I stedet for at den elektriske strøm flyder i en enkelt retning, strømmen bevægede sig rundt om halvmetalen i et hvirvlende cirkulært mønster.

Agarwal og Ji henvendte sig til Kane og Mele for at hjælpe med at udvikle en ny teoretisk ramme, der kunne forklare, hvad de så. Efter at have foretaget nye, ekstremt grundige eksperimenter for iterativt at fjerne alle andre mulige forklaringer, fysikerne var i stand til at indsnævre de mulige forklaringer til en enkelt teori relateret til lysstrålens struktur.

"Når du skinner lys på stof, det er naturligt at tænke på en lysstråle som ensartet lateralt, "siger Mele." Det, der fik disse forsøg til at fungere, er, at strålen har en grænse, og hvad der fik strømmen til at cirkulere, havde at gøre med dens adfærd ved kanten af ​​strålen. "

Ved hjælp af denne nye teoretiske ramme, og indarbejde Rappes indsigt i elektronenerginiveauet inde i materialet, Ji var i stand til at bekræfte den unikke cirkulære bevægelse af den elektriske strøm. Forskerne fandt også ud af, at strømens retning kunne styres ved at ændre lysstrålens struktur, såsom at ændre retningen for dens polarisering eller fotonenes frekvens.

"Tidligere har når folk foretog optoelektroniske målinger, de går altid ud fra, at lys er en plan bølge. Men vi brød den begrænsning og demonstrerede, at ikke kun lyspolarisering, men også den rumlige spredning af lys kan påvirke lys-stof-interaktionsprocessen, "siger Ji.

Dette arbejde giver forskere mulighed for ikke blot bedre at observere kvantefænomener, men det giver en måde at konstruere og kontrollere unikke kvanteegenskaber på ved blot at ændre lysstrålemønstre. "Ideen om, at modulering af lysets polarisering og intensitet kan ændre, hvordan en elektrisk ladning transporteres, kan være en stærk designidee, "siger Mele.

Fremtidig udvikling af "fotoniske" og "spintroniske" materialer, der overfører digitaliseret information baseret på rotationen af ​​henholdsvis fotoner eller elektroner, er også mulig takket være disse resultater. Agarwal håber at udvide dette arbejde til at omfatte andre optiske strålemønstre, såsom "snoet lys, "som kunne bruges til at oprette nye kvanteberegningsmaterialer, der tillader mere information at blive kodet på en enkelt foton af lys.

"Med kvanteberegning, alle platforme er lysbaserede, så det er foton, der er bæreren af ​​kvanteinformation. Hvis vi kan konfigurere vores detektorer på en chip, alt kan integreres, og vi kan læse fotonens tilstand direkte, "Siger Agarwal.

Agarwal og Mele understreger den "heroiske" indsats, Ji har foretaget, inklusive et ekstra års målinger foretaget under kørsel af et helt nyt sæt eksperimenter, der var afgørende for fortolkningen af ​​undersøgelsen. "Jeg har sjældent set en kandidatstuderende stå over for den udfordring, der ikke kun var i stand til at tage imod den, men at mestre den. Hun havde initiativ til at gøre noget nyt, og hun fik det gjort, "siger Mele.

Varme artikler