Forskere udtænker en teoretisk beskrivelse af lysinducerede topologiske tilstande

Topologiske materialer, der besidder visse atom-niveau symmetrier, herunder topologiske isolatorer og topologiske halvmetaller, har fremkaldt fascination blandt mange kondenseret stof videnskabsmænd på grund af deres komplekse elektroniske egenskaber. Nu har forskere i Japan påvist, at en normal halvleder kan omdannes til et topologisk halvmetal ved lysbestråling. Yderligere viste de, hvordan spin-afhængige reaktioner kunne fremstå, når de blev belyst med cirkulært polariseret laserlys. Udgivet i Physical Review B , undersøger dette værk muligheden for at skabe topologiske halvmetaller og manifestere nye fysiske egenskaber ved lyskontrol, hvilket kan åbne en rig fysisk grænse for topologiske egenskaber.

De fleste almindelige stoffer er enten elektriske ledere, som metaller, eller isolatorer, som plastik. I modsætning hertil kan topologiske isolatorer udvise usædvanlig adfærd, hvor elektriske strømme strømmer langs prøvens overflade, men ikke inde i det indre. Denne karakteristiske adfærd er stærkt forbundet med topologiske egenskaber, der er iboende i den elektroniske tilstand. Desuden giver en ny fase kaldet et topologisk semi-metal en ny legeplads til at udforske topologiens rolle i kondenseret stof. Men den underliggende fysik af disse systemer bliver stadig overvejet.

Forskere ved University of Tsukuba studerede dynamikken af ​​excitationer i zinkarsenid (Zn₃ Som₂ ) ved bestråling med en laser med cirkulær polarisering. Zinkarsenid opfattes normalt som en halvleder med smalt mellemrum, hvilket betyder, at elektroner ikke er frie til at bevæge sig rundt på egen hånd, men let kan drives frem af energi fra en ekstern lyskilde. Under de rette forhold kan materialet vise en særlig topologisk tilstand kaldet et "Floquet-Weyl semi-metal", som er et topologisk semi-metal koblet med lys. I dette tilfælde kan den elektriske strøm føres i form af kvasipartikler kaldet Weyl-fermioner. Fordi disse kvasipartikler bevæger sig, som om de har nul masse og modstår at blive spredt, kan Weyl-fermioner let bevæge sig gennem materialet.

"Floquet-Weyl-halvmetaller udviser en håndfuld sjældne egenskaber, der kan bruges i elektroniske enheder, herunder høj mobilitet, titanisk magnetisk modstand og spin-polariserede strømme," siger forfatter professor Ken-ichi Hino. I det aktuelle arbejde viste forskerne, at når en venstrehåndet cirkulært polariseret kontinuerlig-bølgelaser er tunet med en frekvens, der næsten matcher energigabet i materialet, danner spin-down-elektronerne og spin-up-elektronerne forskellige faser, en Weyl semi-metal og en smal spalte isolator. Sidstnævnte er i nærheden af ​​et andet topologisk semi-metal kaldet nodal-line semi-metal.

"Vores udforskning af den forbigående dynamik af excitationer i zinkarsenid kan uddybe forståelsen af ​​den underliggende fysik af disse materialer," siger seniorforfatter Runnan Zhang. Denne grundforskning kan også hjælpe med at fremskynde udviklingen af ​​teknikker til lysinduceret overflademagnetisering af ikke-magnetiske materialer. + Udforsk yderligere

Nye topologiske egenskaber fundet i "gammelt" materiale af koboltdisulfid