Laserdrift af halvmetaller gør det muligt at skabe nye kvasipartikeltilstande

At studere egenskaber af fundamentale partikler i kondenserede stofsystemer er en lovende tilgang til kvantefeltteori. Kvasipartikler giver mulighed for at observere partikelegenskaber, der ikke er realiseret i elementarpartikler. I nærværende undersøgelse, et internationalt forskerhold ledet af Angel Rubio fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter ved CFEL i Hamborg og universitetet i Baskerlandet i Donostia-San Sebastián forudsagde, hvordan laserlys kan bruges til at skabe Weyl fermiontilstande i 3. -D Dirac materialer og at skifte mellem Weyl semimetal, Dirac semimetalliske og topologiske isolatortilstande på ultrahurtige tidsskalaer. Udover dets relevans for grundlæggende kvantefysik, resultaterne kan føre til anvendelser i ultrahurtig skift af materialeegenskaber. Resultaterne er offentliggjort online i tidsskriftet Naturkommunikation i dag.

I standardmodellen for partikelfysik, de fundamentale partikler, der udgør alt stof omkring os – elektroner og kvarker – er såkaldte fermioner, opkaldt efter den berømte italienske fysiker Enrico Fermi. Kvanteteori forudsiger, at elementære fermioner kan eksistere som tre forskellige slags:Dirac, Weyl, og Majorana fermioner, opkaldt efter Paul Dirac, Hermann Weyl, og Ettore Majorana. Imidlertid, på trods af at det blev forudsagt for næsten hundrede år siden, af disse tre slags partikler er kun Dirac-fermioner blevet observeret som elementære partikler i naturen indtil videre. Med opdagelsen af ​​grafen i 2004, imidlertid, det blev indset, at relativistiske frie partiklers opførsel kunne observeres i materialers elektroniske egenskaber. Dette satte gang i søgningen efter materialer, hvor disse fundamentale partikler kunne observeres, og først sidste år blev de første materialer, der huser Weyl-fermioner, opdaget. Mens ethvert kendt materiale kun er vært for én slags af disse fermioner i sin ligevægtstilstand, i nærværende værk demonstreres det, hvordan man kan transformere fermionnaturen inden for specifikke materialer ved at bruge skræddersyede lysimpulser.

Første observation af Dirac-fermioner i grafen

Observationen af ​​Dirac-fermioner i grafens egenskaber stammer fra et komplekst samspil mellem det store antal elektroner og ioner, der udgør materialet. Selvom hver enkelt elektron interagerer med sine omgivende ioner og elektroner via elektrostatiske kræfter, det særlige mønster af kulstofioner i grafens honeycomb-lagstruktur får elektronerne til at opføre sig kollektivt som masseløse, frie fermioner – Dirac fermioner. Disse partikler, der i fællesskab danner nye partikler med forskellige egenskaber, kaldes kvasipartikler. Jagten på andre materialer, der er vært for kvasipartikler, der opfører sig som fundamentale partikler, har således indtil videre fokuseret på materialernes krystalstruktur.

Oprettelse af laserdrevne topologiske tilstande

Det er nu fundet, imidlertid, at ved at bestråle et materiale med en laser, det er også muligt at kombinere en kvasipartikel med fotonerne i laserfeltet for at danne en ny kvasipartikel, igen, kan opføre sig fundamentalt anderledes. I særdeleshed, koblingen til fotoner kan påvirke kvasipartiklers topologi. Topologi er en egenskab ved partiklerne, der fører til ejendommelige egenskaber, for eksempel metalliske chirale kanttilstande, der danner en kollisionsfri envejs kvantemotorvej langs kanten af ​​en topologisk isolator. Denne chiralitet, eller håndfasthed, er topologisk i den forstand, at højrehåndede og venstrehåndede chiraliteter er diskrete tilstande, der ikke kontinuerligt kan deformeres til hinanden. Nobelprisen i fysik 2016 blev netop tildelt Michael Kosterlitz, Duncan Haldane, og David Thouless for opdagelsen af ​​sådanne topologiske faser af stof.

Dirac og Weyl fermioner adskiller sig ved deres chiralitet. Ligesom vores venstre og højre hånd, Weylfermioner forekommer i par, hvor den ene partikel er en spejlet version af den anden. De to partnere er næsten identiske, dog kan de ikke overlejres. Dirac fermioner, derimod har ikke denne ejendom.

En tilgang til at skabe chiralitet i et materiale er at drive det med en laserstråle. "Det blev indset for omkring ti år siden, at den såkaldte Floquet-teori - en teori for laserdrevne systemer, der svinger periodisk i tiden - giver os mulighed for at konstruere parametre og symmetrier i materialer, der kan ændre deres topologi, " forklarer Michael Sentef, Emmy Noether gruppeleder ved MPSD i Hamborg. At inducere chiralitet til et Dirac-fermionmateriale ved at kombinere disse fermioner med fotoner fra laserstrålen for at danne nye kvasipartikler kan således transformere det til et Weyl-fermionmateriale.

I nærværende arbejde, holdet omkring Angel Rubio brugte beregningssimuleringer på højt niveau af materialeegenskaber til at vise, hvordan denne optiske transformation fra Dirac-fermioner til Weyl-fermioner kan opnås i et rigtigt materiale – Na ₃ Bi. Dette materiale er et såkaldt tredimensionelt Dirac-semimetal. Den består af lag af natrium- og vismutatomer, der arrangerer en tredimensionel ækvivalent af grafen. Denne tredimensionalitet er nødvendig for at transformationen af ​​Dirac til Weyl-fermioner kan finde sted. Det kan ikke ske i et todimensionelt ark af grafen.

"Den afgørende udfordring i dette arbejde var at tage ideerne fra Floquet-teorien og -topologien fra det konceptuelle niveau af modelsystemer til verden af ​​virkelige materialer og at demonstrere, at sådanne ikke-ligevægtige topologiske faseovergange kan realiseres i en materialevidenskabelig kontekst, siger Hannes Hübener, Marie Curie-stipendiat ved universitetet i Baskerlandet i San Sebastián og hovedforfatter af værket.

Fra topologisk stabilitet til ultrahurtig elektronik

I særdeleshed, forfatterne kunne vise, hvordan topologisk beskyttelse af Weyl-fermioners håndhed opstår og kan gøres mere robust, jo stærkere laserfeltet er. "Vi indså i vores simuleringer, at når vi skruede op i feltet, de to forskellige højre- og venstrehåndede Weyl-fermioner bevægede sig længere fra hinanden i det såkaldte momentumrum, hvori kvasipartikler lever, " siger Sentef. "Da højre- og venstrehåndede partikler er hinandens antipartikler, de skal gå sammen for at ødelægge hinanden. Adskillelsen beskytter dem således mod at blive ødelagt, hvilket betyder, at vi opnår topologisk stabilitet af disse kvasipartikler."

De teoretiske resultater tyder på, at eksperimentalister burde være i stand til at måle transformationen mellem Dirac og Weyl fermioner i ultrahurtige lasereksperimenter. En måde at gøre dette på er at bruge den fotoelektriske effekt til at udstøde elektroner fra det laserdrevne materiale, en teknik kaldet pumpe-probe fotoemissionsspektroskopi, som er tilgængelig på Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter under Otto-Hahn gruppeleder Isabella Gierz og direktør Andrea Cavalleri.

Angel Rubio, Direktør for MPSD-teoriafdelingen, tilføjer:"Dette arbejde åbner spændende nye veje til at manipulere egenskaberne af materialer og molekyler ved hjælp af grundlæggende lys-stof-interaktion. Det baner vejen for i sidste ende at kontrollere deres adfærd på nanoskala og med ultrahurtige omskiftningscyklusser." Forskerne håber endda, at der kan være en måde at stabilisere de lysinducerede tilstande i længere tid, mens de bevarer evnen til at skifte dem ved terahertz eller endnu hurtigere frekvenser. Dette kan muliggøre ny ultrahurtig elektronik til superhurtige computere i fremtiden.