Fysikere åbner døren til den første direkte måling af Berry -krumning i fast stof

Berry krumning er måske ikke det mest velkendte videnskabelige koncept, men for mange fysikere, dens direkte måling er noget, der ligner en hellig gral.

Et kraftfuldt samlende princip i flere grene af klassisk og kvantefysik, Berry krumning er en mærkelig og undvigende kvantemekanisk egenskab af faste stoffer. Det styrer dynamikken i ladningernes bevægelse i halvledere, men kan ikke selv måles direkte.

Hvis det kunne være, den resulterende beregning kan føre til nye materialer til kvanteberegning.

Nu, UC Santa Barbara -fysikere har åbnet døren til den første direkte måling af Berry -krumning i fast stof. Deres arbejde, offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang X , bygger på et tidligere UCSB-papir, hvor de beskriver eksperimenter, der resulterede i en elektronhul-erindring opnået ved at sigte høj- og lavfrekvente laserstråler mod en halvleder lavet af galliumarsenid.

For det nye papir, forskere fra UCSB's Sherwin Group samarbejdede med kolleger i Kina, ved Princeton University og på U.S. Naval Research Laboratory for at forbedre det tidligere eksperiment. De opdagede et overraskende nyt fænomen ved hjælp af den samme halvleder udsat for ekstremt stærke laserfelter, der oscillerede næsten 1 billioner gange i sekundet (1 terahertz). Kaldes dynamisk dobbeltbrydning, dette fænomen kan bruges til at undersøge Berry -krumning.

"Da vi oprindeligt lavede forsøget, vi kunne kun opdage et sidebånd ad gangen, og prøverne var meget skrøbelige og vanskeligere at arbejde med, "forklarede den tilsvarende forfatter Mark Sherwin, direktør for UCSB's Institute for Terahertz Science and Technology og professor i Institut for Fysik.

Hunter Banks, hovedforfatter til det nye papir, installeret et kamera, der gjorde det muligt for teamet at se alle sidebåndene samtidigt, hvilket reducerede forsøgets varighed og øgede dets følsomhed. Han forbedrede også, hvordan prøverne blev monteret, og øgede styrken af ​​det terahertz elektriske felt, der kunne anvendes.

Disse forbedringer afslørede sidebånd adskilt med så meget som 90 gange fotonenergien af ​​terahertz - mere end tre gange mængden i det originale eksperiment. Sherwin bemærkede, at en øget mængde sidebånd gav teamet mulighed for at lære mere om halvlederen. "Så vidt vi ved, dette enorme antal sidebånd er den højeste orden ikke-lineære optiske proces i faste stoffer, " han sagde.

Genereret af en unik laser, der er placeret i en dedikeret bygning på UCSB, disse forsøg driver tynde lag af halvleder, mens de belyses af svagt infrarødt lys. Det infrarøde lys er polariseret på en af ​​to måder:enten parallelt eller vinkelret på terahertz -feltet.

"Det infrarøde lys, der transmitteres gennem halvlederen, udviser et regnbue -lignende spektrum, der indeholder snesevis af frekvenser, eller sidebånd, "Sherwin forklarede." Uventet, sidebåndene er normalt stærkere, når den infrarøde stråle er polariseret vinkelret på terahertz -feltet. På en eller anden måde definerer terahertz faktisk en akse, der fungerer som en polariserende. Vi kalder dette fænomen dynamisk dobbeltbrydning, og det opstår som en direkte konsekvens af Berry -krumning. "

Det skaber også muligheder for applikationer i nye klasser af elektroniske og optiske enheder.

"Vi planlægger at gøre dynamisk dobbeltbrydning til en direkte måling af Berry -krumning, "Forklarede Sherwin." Når du kan måle noget, der er en grundlæggende egenskab for et fast stof, derefter, når du designer nye materialer, du kan optimere Berry -krumningen for en bestemt enhed. "

For at navigere gennem en kommenteret 3D-gengivelse med virtual reality-kapacitet, Klik her.