Hvordan lysimpulser kan skabe kanaler, der leder elektricitet uden modstand i atomisk tynde halvledere

Teoretiske fysikere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory brugte computersimuleringer til at vise, hvordan specielle lysimpulser kunne skabe robuste kanaler, hvor elektricitet flyder uden modstand i en atomisk tynd halvleder.

Hvis denne tilgang bekræftes af eksperimenter, det kunne åbne døren til en ny måde at skabe og kontrollere denne ønskværdige egenskab på i et bredere udvalg af materialer, end det er muligt i dag.

Resultatet blev offentliggjort i Naturkommunikation .

I løbet af det seneste årti, at forstå, hvordan man skaber denne eksotiske type materiale – kendt som "topologisk beskyttet", fordi dets overfladetilstande er uigennemtrængelige for mindre forvrængninger – har været et varmt forskningsemne inden for materialevidenskab. De mest kendte eksempler er topologiske isolatorer, som leder elektricitet uden modstand i lukkede kanaler langs deres kanter eller overflader, men ikke gennem deres indre.

SLAC og Stanford University forskere har været på forkant med at opdage sådanne materialer og undersøge deres egenskaber, som kunne have fremtidige anvendelser i mikroelektroniske kredsløb og enheder. Dette års Nobelpris i fysik blev tildelt tre videnskabsmænd, som først foreslog muligheden for topologisk beskyttede materialeegenskaber.

Tidligere teoretiske undersøgelser havde set på, hvordan lys kunne inducere topologisk beskyttede fænomener i grafen, et ark af rent kulstof kun et atom tykt. Desværre, det ville tage en upraktisk høj lysenergi og intensitet for at fremkalde den effekt i grafen. I dette studie, SLAC-forskere fokuserede på wolframdisulfid og relaterede forbindelser, som danner plader med kun et molekyle tykke og i sig selv er halvledende.

Forskerne simulerede eksperimenter, hvor pulser af cirkulært polariseret lys, i det røde til nær-infrarøde bølgelængdeområde, ramte et enkelt lag wolframdisulfid. Resultaterne viste, at i den tid, hvor materialet blev belyst, dets elektroner organiserede sig på en måde, der var fundamentalt forskellig fra grafen, skabe nye stier uden nogen elektrisk modstand langs prøvens kanter.

For at tage højde for de fluktuerende interaktioner mellem lysbølger og elektroner, forskerne brugte en periodisk tidsvarierende referenceramme, der havde rødder tilbage til 1880'erne og den franske matematiker Gaston Floquet. Fremgangsmåden viste tydeligt, at lys med lavere energi, som materialet synes gennemsigtigt for, ville skabe topologisk beskyttet, kantbaner uden modstand i wolframdisulfid-monolaget.

I øvrigt, simuleringen viste, at uønsket opvarmning af materialet, der ville forstyrre stierne, kunne undgås ved at indstille lysenergien til at være lidt mindre end den mest effektive "resonansenergi".

"Vi er de første, der forbinder materialemodeller med de første principper med lysinducerede topologisk beskyttede tilstande, mens vi mindsker overskydende materialeopvarmning, sagde Martin Claassen. en Stanford kandidatstuderende, der arbejder på SLAC og hovedforfatter af det tekniske papir.

Forskerne er i diskussioner med andre forskergrupper, der kan føre til eksperimenter, der tester deres teoretiske forudsigelser i virkelige materialer.