En ny hands-off sonde bruger lys til at udforske elektronadfærd i en topologisk isolator

Topologiske isolatorer er et af de mest forvirrende kvantematerialer - en klasse af materialer, hvis elektroner samarbejder på overraskende måder for at producere uventede egenskaber. Kanterne af en TI er elektronsuperveje, hvor elektroner flyder uden tab, ignorerer urenheder eller andre forhindringer på deres vej, mens hovedparten af ​​materialet blokerer elektronstrømmen.

Forskere har studeret disse forvirrende materialer siden deres opdagelse for lidt over et årti siden med henblik på at udnytte dem til ting som kvanteberegning og informationsbehandling.

Nu har forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University opfundet en ny, hands-off måde at undersøge de hurtigste og mest flygtige fænomener inden for en TI og tydeligt skelne, hvad dens elektroner laver på motorvejskanterne, fra hvad de laver alle andre steder.

Teknikken udnytter et fænomen kaldet høj harmonisk generering, eller HHG, som flytter laserlys til højere energier og højere frekvenser - meget ligesom at trykke på en guitarstreng producerer en højere tone - ved at skinne den gennem et materiale. Ved at variere polariseringen af ​​laserlys, der går ind i en TI og analysere det forskudte lys, der kommer ud, forskere fik stærke og adskilte signaler, der fortalte dem, hvad der skete i hvert af materialets to kontrasterende domæner.

"Det, vi fandt ud af, er, at lyset, der kommer ud, giver os information om egenskaberne af motorvejsoverfladerne, " sagde Shambhu Ghimire, en hovedefterforsker ved Stanford PULSE Institute ved SLAC, hvor arbejdet er udført. "Dette signal er ret bemærkelsesværdigt, og dens afhængighed af laserlysets polarisering er dramatisk forskellig fra, hvad vi ser i konventionelle materialer. Vi tror, ​​vi har en potentielt ny tilgang til at igangsætte og undersøge kvanteadfærd, der formodes at være til stede i en bred vifte af kvantematerialer."

Forskerholdet rapporterede resultaterne i Fysisk gennemgang A i dag.

Lys ind, lys ud

Fra 2010, en række eksperimenter ledet af Ghimire og PULSE-direktør David Reis viste, at HHG kan fremstilles på måder, der tidligere var anset for usandsynlige eller endda umulige:ved at udstråle laserlys ind i en krystal, en frossen argongas eller et atomisk tyndt halvledermateriale. En anden undersøgelse beskrev, hvordan man bruger HHG til at generere attosecond laserimpulser, som kan bruges til at observere og kontrollere elektronernes bevægelser, ved at skinne en laser gennem almindeligt glas.

I 2018, Denitsa Baykusheva, en schweizisk National Science Foundation Fellow med en baggrund i HHG-forskning, kom med i PULSE-gruppen som postdoktor. Hendes mål var at studere potentialet for at generere HHG i topologiske isolatorer - den første sådan undersøgelse i et kvantemateriale. "Vi ville se, hvad der sker med den intense laserpuls, der bruges til at generere HHG, " sagde hun. "Ingen havde faktisk fokuseret så stærkt et laserlys på disse materialer før."

Men midtvejs i disse eksperimenter, COVID-19-pandemien ramte, og laboratoriet lukkede i marts 2020 på grund af alt undtagen væsentlig forskning. Så holdet måtte tænke på andre måder at gøre fremskridt på, sagde Baykusheva.

"I et nyt forskningsområde som dette, teori og eksperiment skal gå hånd i hånd, " forklarede hun. "Teori er afgørende for at forklare eksperimentelle resultater og også forudsige de mest lovende veje for fremtidige eksperimenter. Så vi forvandlede os alle til teoretikere" - først arbejdede med pen og papir og derefter skrev kode og lavede beregninger for at indlæse computermodeller.

Et lysende resultat

Til deres overraskelse, resultaterne forudsagde, at cirkulært polariseret laserlys, hvis bølger går rundt om strålen som en proptrækker, kunne bruges til at udløse HHG i topologiske isolatorer.

"En af de interessante ting, vi observerede, er, at cirkulært polariseret laserlys er meget effektiv til at generere harmoniske fra motorvejsoverfladerne på den topologiske isolator, men ikke fra resten af ​​det, " sagde Baykusheva. "Dette er noget meget unikt og specifikt for denne type materiale. Det kan bruges til at få information om elektroner, der rejser på motorvejene, og dem, der ikke gør, og det kan også bruges til at udforske andre typer materialer, der ikke kan sonderes med lineært polariseret lys."

Resultaterne udstikker en opskrift på at fortsætte med at udforske HHG i kvantematerialer, sagde Reis, som er medforfatter til undersøgelsen.

"Det er bemærkelsesværdigt, at en teknik, der genererer stærke og potentielt forstyrrende felter, som tager elektroner i materialet og skubber dem rundt og bruger dem til at undersøge materialets egenskaber, kan give dig et så klart og robust signal om materialets topologiske tilstande, " han sagde.

"Det, at vi overhovedet kan se noget, er fantastisk, for ikke at nævne det faktum, at vi potentielt kunne bruge det samme lys til at ændre materialets topologiske egenskaber."

Eksperimenter hos SLAC er genoptaget på et begrænset grundlag, Reis tilføjede, og resultaterne af det teoretiske arbejde har givet teamet ny tillid til, at de ved præcis, hvad de leder efter.