Lysinduceret vridning af Weyl-noder tænder for kæmpe elektronstrøm

Forskere ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory og samarbejdspartnere ved Brookhaven National Laboratory og University of Alabama i Birmingham har opdaget en ny lysinduceret kontakt, der vrider krystalgitteret af materialet, tænde en kæmpe elektronstrøm, der ser ud til at være næsten spredningsfri. Opdagelsen blev foretaget i en kategori af topologiske materialer, der har et stort løfte for spintronics, topologiske effekt transistorer, og kvanteberegning.

Weyl og Dirac semimetaller kan være vært for eksotiske, næsten spredningsfri, elektronledningsegenskaber, der drager fordel af den unikke tilstand i krystalgitteret og elektronisk struktur af materialet, der beskytter elektronerne mod at gøre det. Disse uregelmæssige elektrontransportkanaler, beskyttet af symmetri og topologi, forekommer normalt ikke i konventionelle metaller såsom kobber. Efter årtier med kun at blive beskrevet i forbindelse med teoretisk fysik, der er stigende interesse for fremstilling, udforske, raffinering, og styring af deres topologisk beskyttede elektroniske egenskaber til apparatapplikationer. For eksempel, bred anvendelse af kvantecomputing kræver, at der bygges enheder, hvor skrøbelige kvantetilstande er beskyttet mod urenheder og støjende miljøer. En tilgang til at opnå dette er gennem udviklingen af ​​topologisk kvanteberegning, hvor qubits er baseret på "symmetribeskyttede" dissipationsløse elektriske strømme, der er immune over for støj.

"Lysinduceret gitterdrejning, eller en fonisk switch kan styre krystalinversionssymmetrien og fotogenerere kæmpe elektrisk strøm med meget lille modstand, "sagde Jigang Wang, seniorforsker ved Ames Laboratory og professor i fysik ved Iowa State University. "Dette nye kontrolprincip kræver ikke statiske elektriske eller magnetiske felter, og har meget hurtigere hastigheder og lavere energiomkostninger. "

"Denne opdagelse kan udvides til at omfatte et nyt kvanteberegningsprincip baseret på kiral fysik og dissipationløs energitransport, som kan køre meget hurtigere hastigheder, lavere energiomkostninger og høj driftstemperatur. "sagde Liang Luo, en videnskabsmand ved Ames Laboratory og første forfatter af papiret.

Wang, Luo, og deres kolleger opnåede netop det, ved hjælp af terahertz (en billion cyklusser pr. sekund) laserlys spektroskopi til at undersøge og skubbe disse materialer til at afsløre symmetri -omskiftningsmekanismerne for deres egenskaber.

I dette eksperiment, teamet ændrede symmetrien i materialets elektroniske struktur, ved hjælp af laserpulser til at vride krystalets gitterarrangement. Denne lyskontakt muliggør "Weyl -punkter" i materialet, får elektroner til at opføre sig som masseløse partikler, der kan bære de beskyttede, lav dissipationsstrøm, der er eftertragtet.

"Vi opnåede denne gigantiske dissipationsløse strøm ved at køre periodiske bevægelser af atomer omkring deres ligevægtsposition for at bryde krystalinversionssymmetri, "siger Ilias Perakis, professor i fysik og formand ved University of Alabama i Birmingham. "Dette lysinducerede Weyl-halvmetalltransport- og topologikontrolprincip ser ud til at være universelt og vil være meget nyttigt i udviklingen af ​​fremtidig kvanteberegning og elektronik med høj hastighed og lavt energiforbrug."

"Det, vi hidtil har manglet, er en lav energi og hurtig omskifter til at fremkalde og kontrollere symmetri af disse materialer, "sagde Qiang Li, Gruppeleder for Brookhaven National Laboratory's Advanced Energy Materials Group. "Vores opdagelse af en lyssymmetriafbryder åbner en fascinerende mulighed for at bære dissipationsfri elektronstrøm, en topologisk beskyttet tilstand, der ikke svækkes eller bremses, når den støder på ufuldkommenheder og urenheder i materialet. "

Forskningen diskuteres yderligere i papiret "A Light-induced Phononic Symmetry Switch and Giant Dissipationless Topological Photocurrent in ZrTe5, "udgivet i Naturmaterialer .