|
Изучение путей квантовых электронов с помощью лазерного света
|
|
|
|
Топологические изоляторы, или TIs, имеют две стороны: электроны свободно текут вдоль краев их поверхности, как автомобили на супермагистрали, но вообще не могут проходить через внутреннюю часть материала. Для создания этого уникального квантового состояния требуется особый набор условий — наполовину электрический проводник, наполовину изолятор — которое исследователи надеются когда-нибудь использовать для таких вещей, как спинтроника, квантовые вычисления и квантовое восприятие. На данный момент они просто пытаются понять, что заставляет работать TI. В последнем прорыве в этом направлении исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета систематически исследовали «фазовый переход», при котором TI теряет свои квантовые свойства и становится обычным изолятором.
|
|
|
|
Они сделали это, используя спиралевидные лучи лазерного света для создания гармоник — очень похожих на вибрации щипковой гитарной струны — из исследуемого материала. Эти гармоники позволяют легко отличить то, что происходит в слое супермагистрали, от того, что происходит внутри, и увидеть, как одно состояние сменяется другим, сообщили они сегодня в Nature Photonics. «Гармоники, создаваемые материалом, усиливают эффекты, которые мы хотим измерить, что делает это очень чувствительным способом увидеть, что происходит в TI», — сказал Кристиан Хайде, научный сотрудник Стэнфордского института PULSE в SLAC, который руководил экспериментами. . «А поскольку этот световой подход можно реализовать в лаборатории с настольным оборудованием, он делает изучение этих материалов более простым и доступным, чем некоторые предыдущие методы».
|
|
|
Эти результаты впечатляют, добавил главный исследователь PULSE Шамбху Гимире, потому что они показывают, что новый метод имеет потенциал для наблюдения за тем, как TI переключается между состояниями супермагистрали и изоляции, как это происходит, и в мельчайших деталях — очень похоже на использование камеры с очень быстрым затвором. скорость. Это было последнее из серии исследований под руководством Ghimire и директора PULSE Дэвида Рейса по генерации высоких гармоник, или HHG, явлению, которое сдвигает лазерный свет в сторону более высоких энергий и частот, пропуская его через материал. Частоты смещаются четкими шагами, как ноты, сделанные нажатием на гитарную струну.
|
|
|
|
За последние десять лет их исследовательской группе удалось сделать это на ряде материалов, которые считались маловероятными или даже невозможными кандидатами на ГВГ, включая кристалл, замороженный газ аргон и атомарно тонкий полупроводниковый материал. Они даже были в состоянии производить аттосекундные лазерные импульсы, длительность которых составляет всего одну миллиардную от миллиардной доли секунды и может использоваться для наблюдения и управления движением электронов, направляя лазер через обычное стекло.
|
|
|
|
Четыре года назад научный сотрудник Деница Байкушева присоединилась к группе PULSE с целью выяснить, возможно ли генерировать ГВГ в топологических изоляторах — подвиг, который никогда не был достигнут ни в одном квантовом материале. За несколько лет работы команда обнаружила, что да, это можно сделать, но только если лазерный луч имеет круговую поляризацию.
|
|
|
|
И у этого спиралевидного лазерного луча был бонус: изменяя его поляризацию, они могли получать сильные, отдельные сигналы от поверхности супермагистрали TI и его заблокированного внутреннего пространства. Это позволяло им легко различать, что происходило в этих двух контрастирующих частях материала. В текущем исследовании они намеревались продемонстрировать, что может сделать новый метод, изменяя состав их материала TI, селенида висмута, и свойств ультракоротких импульсов лазерного света, которыми они воздействовали на него, чтобы увидеть, как каждая комбинация влияет на гармоники. созданный материал.
|
|
|
|
Сначала они доставили свои образцы в Стэнфордский источник синхротронного излучения (SSRL) SLAC для исследования с помощью рентгеновского метода, называемого фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением или ARPES. Это позволило им сузить общий район, где происходит переход. Затем, вернувшись в лабораторию, они увеличили масштаб, чтобы увидеть больше деталей. Они подготовили серию образцов селенида висмута — некоторые из них были чистыми, а другие содержали различные уровни химической примеси, которая, как известно, влияет на поведение электронов. Некоторые из образцов были топологическими изоляторами, а другие — простыми изоляторами. Затем на образцы воздействовали лазерными импульсами разной энергии, степени и направления поляризации.
|
|
|
|
Они обнаружили, что импульсы с круговой поляризацией, особенно те, которые закручиваются по спирали по часовой стрелке, гораздо эффективнее создают высокие гармоники от поверхностей супермагистралей, чем от изолирующих частей материала. «Разница между ними была огромной», — сказал Хайде, поэтому команда могла легко отличить два штата друг от друга. В то время как чистые образцы представляли собой классические ТИ, материал начинал терять свои топологические способности при уровне примеси около 4% и терял их вообще на 20%. На тот момент материал был обычным изолятором. Ультракороткие лазерные импульсы, использованные в этом исследовании, длительностью около 100 фемтосекунд, или миллионные доли миллиардных долей секунды, проходят сквозь образец, не повреждая его, и могут быть настроены для исследования любого места внутри него. очень большая выгода».
|
|
|
|
И, как камера со сверхкороткой выдержкой, эта относительно небольшая и доступная лазерная установка должна быть в состоянии наблюдать характеристики топологического перехода, а также другие электронные свойства и процессы с гораздо меньшими подробностями и по мере их изменения в реальном времени. время, сказал Гимире. «Это одна из возможностей, которая делает этот полностью оптический метод интересным и дает ему широкий спектр потенциальных применений, — сказал он, — и это то, что мы планируем изучить в будущих экспериментах».
|
|
|
|
Источник
|
