Laserimpulser skaber topologisk tilstand i grafen

At opdage måder at kontrollere de topologiske aspekter af kvantematerialer er en vigtig forskningsfront, fordi det kan føre til ønskelige elektriske og spin-transportegenskaber for fremtidige enhedsteknologier. Nu har MPSD-forskere opdaget en banebrydende laserdrevet tilgang til at generere en topologisk tilstand i grafen. Deres arbejde er netop blevet offentliggjort i Naturfysik .

I topologiske materialer, elektroner oplever en forskruet verden. I stedet for blot at bevæge sig ligeud, når du mærker en kraft, de kan skubbes til siden. I et sådant materiale flyder strømmen faktisk ortogonalt til en påført spænding.

Den grundlæggende model, der beskriver effekten, blev udviklet af Duncan Haldane i slutningen af ​​1980'erne, men selv dens opfinder var skeptisk over, at den nogensinde kunne implementeres i et rigtigt materiale. Alligevel, omfattende kemisk syntese gjorde det til sidst muligt at observere meget lignende virkninger, udløste en teknologisk revolution - og til sidst skaffede Haldane Nobelprisen i fysik i 2016.

Topologisk transport induceres normalt i materialer ved at anvende stærke magnetfelter eller ved at fremstille forbindelser med stærk spin-kredsløbskobling. Forskere i Andrea Cavalleris gruppe ved MPSD har nu påvist, at en sammenhængende interaktion med cirkulært polariseret lys også kan inducere topologiske elektriske strømme i materialet grafen.

Holdets radikalt anderledes tilgang består i at belyse grafen med en stærk, cirkulært polariseret laserpuls, hvis elektriske felt driver elektroner i sløjfer. Når materialet er belyst, det opfører sig pludselig som et topologisk materiale. Den vender tilbage til sin normale tilstand, når pulsen er væk.

Mens denne mekanisme var blevet testet i simuleringer, det var fuldstændig uklart, om det ville fungere i den mere komplicerede sammenhæng med rigtige faste stoffer - og om det ville være muligt at opdage det.

For at bevise deres opdagelse, fysikerne skulle vise strømme, der flyder i en retning ortogonalt i forhold til en påført spænding. Imidlertid, der var en stor udfordring:"Da virkningen kun varer ved i omkring en milliontedel af en milliontedel af et sekund, vi var nødt til at udvikle en ny type elektronisk kredsløb for at måle dette, " siger hovedforfatteren James McIver.

Resultatet var en ultrahurtig optoelektronisk enhedsarkitektur baseret på fotoledende kontakter. Det bekræftede eksistensen af ​​effekten. Bevæger sig fremad, forskerne planlægger at bruge dette kredsløb til at studere en række overbevisende problemer i kvantematerialer, såsom lysinduceret superledning og fotonbeklædte topologiske kanttilstande.

"Dette arbejde viser, at lys er i stand til at konstruere topologiske egenskaber i topologisk trivielle materialer, " siger medforfatter Gregor Jotzu. "Den ultrahurtige udseende af denne effekt rummer et stort potentiale for konstruktion af ekstremt hurtige sensorer eller computere."