Ultrakorte lysimpulser har vist sig at være umulige at skelne fra kontinuerlig belysning

Det har vist sig, at ultrakorte lysimpulser ikke kan skelnes fra kontinuerlig belysning, med hensyn til at kontrollere de elektroniske tilstande af atomisk tyndt materiale wolframdisulfid (WS2).

Et nyt Swinburne-ledet studie beviser, at ultrakorte lysimpulser kan bruges til at drive overgange til nye faser af stof, hjælper søgen efter fremtidens Floquet-baserede, lavenergielektronik.

Der er betydelig interesse i forbigående at kontrollere båndstrukturen af ​​en monolagshalvleder ved at bruge ultrakorte lysimpulser til at skabe og kontrollere eksotiske nye faser af stof.

De resulterende midlertidige tilstande kendt som Floquet-Bloch-tilstande er interessante fra et rent forskningsmæssigt synspunkt såvel som for en foreslået ny klasse af transistorer baseret på Floquet topologiske isolatorer (FTI'er).

I et vigtigt fund, de ultrakorte lysimpulser, der er nødvendige for at detektere dannelsen af ​​Floquet-tilstande, viste sig at være lige så effektive til at udløse tilstanden som kontinuerlig belysning, et vigtigt spørgsmål, der indtil nu, stort set var blevet ignoreret.

En kontinuerlig bølge eller ultrakorte impulser:Problemet med tiden

Floquet fysik, som er blevet brugt til at forudsige, hvordan en isolator kan omdannes til en FTI, er baseret på et rent sinusformet felt, dvs kontinuerlig, monokromatisk (enkelt bølgelængde) belysning, der ikke har nogen begyndelse eller ende.

For at observere denne faseovergang, imidlertid, kun ultrakorte impulser giver tilstrækkelige spidsintensiteter til at frembringe en detekterbar effekt. Og der er gniden.

Tænde eller slukke for selv den reneste lyskilde introducerer en lang række ekstra frekvenser til lysets spektrum; jo mere brat skifter, jo mere bredbånd spektret. Som resultat, ultrakorte impulser som dem, der bruges her, er ikke i overensstemmelse med de antagelser, som Floquet-fysikken er baseret på.

"Ultrakorte pulser er omtrent så langt, som du overhovedet kan komme fra en monokromatisk bølge, " siger Dr. Stuart Earl ved Swinburne University of Technology (Australien).

"Imidlertid, vi har nu vist, at selv med pulser kortere end 15 optiske cyklusser (34 femtosekunder, eller 34 milliontedele af en milliarddel af et sekund), det er bare ligegyldigt."

Pumpesondespektroskopi af atomare monolag fremkalder en øjeblikkelig respons

Dr. Earl, med samarbejdspartnere fra Australian National University og ARC Center for Future Low-Energy Electronic Technologies (FLEET), underkastet et atomart monolag af wolfram-disulfid (WS ₂ ) til lysimpulser af varierende længde, men den samme samlede energi, ændring af spidsintensiteten på en kontrolleret måde.

WS ₂ er et overgangsmetal dichalcogenid (TMD), en familie af materialer, der er undersøgt til brug i fremtidig "beyond CMOS"-elektronik.

Holdet brugte pumpe-probe spektroskopi til at observere et forbigående skift i energien af ​​A exciton af WS ₂ på grund af den optiske Stark-effekt (den enkleste realisering af Floquet-fysikken). Takket være deres brug af en sub-bandgap pumpepuls, signalet de målte, som kun varede så længe som selve pulsen, skyldtes interaktioner mellem ligevægt og foton-påklædte virtuelle tilstande i prøven.

"Det lyder måske mærkeligt, at vi kan udnytte virtuelle tilstande til at manipulere en reel overgang," siger Dr. Earl. "Men fordi vi brugte en sub-bandgap pumpepuls, ingen rigtige stater var befolket."

"WS ₂ svarede øjeblikkeligt, men mere markant, dens respons afhang lineært af den øjeblikkelige intensitet af pulsen, ligesom om vi havde tændt et monokromatisk felt uendeligt langsomt, det er, adiabatisk" forklarer professor Jeff Davis, også ved Swinburne University of Technology. "Dette var et spændende fund for vores team. På trods af at pulserne var ekstremt korte, systemets tilstande forblev sammenhængende."

En adiabatisk forstyrrelse er en, der introduceres ekstremt langsomt, så systemets tilstande har tid til at tilpasse sig, et afgørende krav for FTI'er. Selvom ultrakorte pulser ikke burde være kompatible med dette krav, dette resultat giver klare beviser for, at for disse atomare monolag, de gør. Dette gør det nu muligt for holdet at tilskrive ethvert bevis på ikke-adiabatisk adfærd til prøven, snarere end til deres eksperiment.

Disse resultater gør det nu muligt for FLEET-teamet at udforske Floquet-Bloch-tilstande i disse materialer med en puls over båndgabet, hvilken, teoretisk set, skal drive materialet ind i den eksotiske fase kendt som en Floquet topologisk isolator. Forståelse af denne proces bør så hjælpe forskere med at inkorporere disse materialer i en ny generation af lavenergi-, høj båndbredde, og potentielt ultrahurtig, transistorer.

Systemer, der udviser dissipationsfri transport, når de drives ud af ligevægt, studeres inden for FLEETs forskningstema 3, søger nyt, ultra-lavenergielektronik til at imødegå de stigende, ubæredygtig energi forbrugt ved beregning (allerede 8 % af den globale elektricitet, og fordobles hvert årti).