Udforskning af kvanteelektronmotorveje med laserlys

Topologiske isolatorer eller TI'er har to flader:Elektroner flyder frit langs deres overfladekanter, som biler på en motorvej, men kan slet ikke strømme gennem det indre af materialet. Det kræver et særligt sæt betingelser at skabe denne unikke kvantetilstand - dels elektrisk leder, dels isolator - som forskere håber at kunne udnytte til ting som spintronik, kvanteberegning og kvantesansning en dag. For nu forsøger de bare at forstå, hvad der får TI'er til at tikke.

I det seneste fremskridt i den retning undersøgte forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University systematisk "faseovergangen", hvor en TI mister sine kvanteegenskaber og bliver blot endnu en almindelig isolator.

De gjorde dette ved at bruge spiralformede stråler af laserlys til at generere harmoniske - meget ligesom vibrationerne fra en plukket guitarstreng - fra det materiale, de undersøgte. Disse harmoniske gør det let at skelne, hvad der sker i motorvejslaget fra, hvad der sker i det indre og se, hvordan den ene tilstand viger for den anden, rapporterede de i Nature Photonics i dag.

"De harmoniske, der genereres af materialet, forstærker de effekter, vi ønsker at måle, hvilket gør dette til en meget følsom måde at se, hvad der foregår i en TI," sagde Christian Heide, en postdoc-forsker ved Stanford PULSE Institute ved SLAC, som ledede eksperimenterne .

"Og da denne lysbaserede tilgang kan udføres i et laboratorium med bordpladeudstyr, gør det at udforske disse materialer nemmere og mere tilgængeligt end nogle tidligere metoder."

Disse resultater er spændende, tilføjede PULSE-hovedforsker Shambhu Ghimire, fordi de viser, at den nye metode har potentiale til at se TI'er vende frem og tilbage mellem motorvejs- og isolerende tilstande, mens det sker og i fine detaljer - meget som et bruger kamera med en meget hurtig lukker hastighed.

En lang harmonisk rejse

Dette var det seneste i en række undersøgelser ledet af Ghimire og PULSE-direktør David Reis om højharmonisk generering, eller HHG, et fænomen, der flytter laserlys til højere energier og frekvenser ved at skinne det gennem et materiale. Frekvenserne forskydes i særskilte trin, som toner lavet ved at trykke på en guitarstreng.

I løbet af de sidste dusin år har deres forskerhold formået at gøre dette i en række materialer, der blev anset for at være usandsynlige eller endda umulige kandidater til HHG, herunder en krystal, frossen argongas og et atomisk tyndt halvledermateriale. De var endda i stand til at producere attosekunds laserimpulser – som kun er en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund lange og kan bruges til at observere og kontrollere elektronernes bevægelser – ved at lade en laser skinne gennem almindeligt glas.

For fire år siden sluttede postdoc-forsker Denitsa Baykusheva sig til PULSE-gruppen med det formål at se, om det var muligt at generere HHG i topologiske isolatorer - en bedrift, der aldrig var blevet opnået i noget kvantemateriale. I løbet af flere års arbejde opdagede holdet, at ja, det kunne lade sig gøre, men kun hvis laserlyset var cirkulært polariseret.

Og dette spiralformede laserlys havde en bonus:Ved at variere dets polarisering var de i stand til at få stærke, separate signaler fra TI's motorvejsoverflade og dens vejspærrede interiør. Dette gjorde det muligt for dem let at skelne, hvad der foregik i de to kontrasterende dele af materialet.

I den aktuelle undersøgelse satte de sig for at demonstrere, hvad den nye metode kunne gøre ved at variere sammensætningen af ​​deres TI-materiale, vismutselenid, og egenskaberne af de ultrakorte pulser af laserlys, de ramte det med, for at se, hvordan hver kombination påvirkede harmoniske det genererede materiale.

Spiraler møder urenheder

Først tog de deres prøver til SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) til undersøgelse med en røntgenteknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi eller ARPES. Dette gjorde det muligt for dem at indsnævre det generelle kvarter, hvor overgangen finder sted.

Så, tilbage i laboratoriet, zoomede de ind for at se flere detaljer.

De forberedte en række vismutselenidprøver - nogle rene og andre indeholdende varierende niveauer af en kemisk urenhed, der vides at påvirke elektronadfærd. Nogle af prøverne var topologiske isolatorer og andre var almindelige isolatorer.

Så rammer de prøverne med laserimpulser af forskellige energier og grader og retninger af polarisering.

De opdagede, at cirkulært polariserede impulser, især dem, der spiralerede med uret, var meget mere effektive til at producere høje harmoniske fra motorvejsoverflader end fra isolerende dele af materialet. "Forskellen mellem de to var enorm," sagde Heide, så holdet kunne nemt skelne de to stater fra hinanden.

Mens rene prøver var klassiske TI'er, begyndte materialet at miste sine topologiske evner ved et urenhedsniveau på omkring 4% og mistede dem helt med 20%. På det tidspunkt var materialet en almindelig isolator.

De ultrakorte laserimpulser, der bruges i denne undersøgelse - omkring 100 femtosekunder, eller milliontedele af en milliardtedel af et sekund, lange - passerer lige gennem prøven uden at beskadige den og kan indstilles til at sondere ethvert sted inde i den, siger Heide, at "det er en meget stor fordel."

Og ligesom et kamera med en superhurtig lukkerhastighed, burde denne relativt lille og prisbillige laseropsætning være i stand til at observere karakteristikaene for den topologiske overgang, såvel som andre elektroniske egenskaber og processer, i meget finere detaljer og efterhånden som de ændrer sig i virkeligheden gang, sagde Ghimire.

"Det er en mulighed, der gør denne helt optiske metode interessant og giver den en bred vifte af potentielle anvendelser," sagde han, "og det er noget, vi planlægger at udforske i fremtidige eksperimenter." + Udforsk yderligere

Eksperimenter bekræfter et kvantemateriales unikke respons på cirkulært polariseret laserlys