Le intuizioni della fisica quantistica hanno permesso agli ingegneri di incorporare componenti utilizzati nei circuiti stampati, fibre ottiche, e sistemi di controllo in nuove applicazioni che vanno dagli smartphone ai microprocessori avanzati. Ma, nonostante i notevoli progressi compiuti negli ultimi anni, i ricercatori sono ancora alla ricerca di modi nuovi e migliori per controllare le proprietà elettroniche straordinariamente potenti dei materiali quantistici.

Un nuovo studio dei ricercatori della Penn ha scoperto che i semimetalli Weyl, una classe di materiali quantistici, hanno stati quantistici di massa le cui proprietà elettriche possono essere controllate usando la luce. Il progetto è stato guidato da Ritesh Agarwal e dallo studente laureato Zhurun ​​Ji presso la School of Engineering and Applied Science in collaborazione con Charles Kane, Eugenio Mele, e Andrew M. Rappe alla School of Arts and Sciences, insieme a Zheng Liu della Nanyang Technological University. Zachariah Addison di Penn, Gerui Liu, Wenjing Liu, e Heng Gao, e Peng Yu di Nanyang, anche contribuito al lavoro. I loro risultati sono stati pubblicati in Materiali della natura .

Un accenno a queste proprietà fotogalvaniche non convenzionali, o la capacità di generare corrente elettrica usando la luce, è stato segnalato per la prima volta da Agarwal nel silicio. Il suo gruppo è stato in grado di controllare il movimento della corrente elettrica modificando la chiralità, o la simmetria intrinseca della disposizione degli atomi di silicio, sulla superficie del materiale.

"A quel tempo, stavamo anche cercando di capire le proprietà degli isolanti topologici, ma non potevamo provare che ciò che stavamo vedendo proveniva da quegli stati superficiali unici, " spiega Agarwal.

Quindi, mentre conduceva nuovi esperimenti sui semimetalli Weyl, dove gli stati quantistici unici esistono nella maggior parte del materiale, Agarwal e Ji hanno ottenuto risultati che non corrispondevano a nessuna teoria che potesse spiegare come si muovesse il campo elettrico quando attivato dalla luce. Invece della corrente elettrica che scorre in un'unica direzione, la corrente si muoveva intorno al semimetallo in un vorticoso schema circolare.

Agarwal e Ji si sono rivolti a Kane e Mele per aiutarli a sviluppare un nuovo quadro teorico che potesse spiegare ciò che stavano vedendo. Dopo aver condotto nuovi, esperimenti estremamente approfonditi per eliminare in modo iterativo tutte le altre possibili spiegazioni, i fisici sono riusciti a restringere le possibili spiegazioni ad un'unica teoria relativa alla struttura del fascio di luce.

"Quando fai luce sulla materia, è naturale pensare ad un fascio di luce come uniforme lateralmente, " dice Mele. "Ciò che ha fatto funzionare questi esperimenti è che il raggio ha un confine, e ciò che faceva circolare la corrente aveva a che fare con il suo comportamento al bordo della trave".

Utilizzando questo nuovo quadro teorico, e incorporando le intuizioni di Rappe sui livelli di energia degli elettroni all'interno del materiale, Ji è stato in grado di confermare i movimenti circolari unici della corrente elettrica. Gli scienziati hanno anche scoperto che la direzione della corrente potrebbe essere controllata modificando la struttura del raggio di luce, come cambiare la direzione della sua polarizzazione o la frequenza dei fotoni.

"In precedenza, quando le persone facevano misurazioni optoelettroniche, presumono sempre che la luce sia un'onda piana. Ma abbiamo infranto questa limitazione e dimostrato che non solo la polarizzazione della luce ma anche la dispersione spaziale della luce possono influenzare il processo di interazione luce-materia, "dice Ji.

Questo lavoro consente ai ricercatori non solo di osservare meglio i fenomeni quantistici, ma fornisce un modo per progettare e controllare proprietà quantistiche uniche semplicemente modificando i modelli del raggio di luce. "L'idea che la modulazione della polarizzazione e dell'intensità della luce possa cambiare il modo in cui viene trasportata una carica elettrica potrebbe essere una potente idea progettuale, "dice Mele.

Grazie a questi risultati è reso possibile anche lo sviluppo futuro di materiali "fotonici" e "spintronici" che trasferiscono informazioni digitalizzate basate rispettivamente sullo spin di fotoni o elettroni. Agarwal spera di espandere questo lavoro per includere altri modelli di fasci ottici, come "luce contorta, " che potrebbe essere utilizzato per creare nuovi materiali di calcolo quantistico che consentono di codificare più informazioni su un singolo fotone di luce.

"Con l'informatica quantistica, tutte le piattaforme sono basate sulla luce, quindi è il fotone che è il portatore di informazioni quantistiche. Se possiamo configurare i nostri rilevatori su un chip, tutto può essere integrato, e possiamo leggere direttamente lo stato del fotone, "dice Agarwal.

Agarwal e Mele sottolineano lo sforzo "eroico" compiuto da Ji, comprese le misurazioni di un anno aggiuntivo effettuate durante l'esecuzione di una serie completamente nuova di esperimenti che sono stati cruciali per l'interpretazione dello studio. "Raramente ho visto una studentessa laureata affrontare quella sfida che fosse in grado non solo di affrontarla, ma di padroneggiarla. Ha avuto l'iniziativa di fare qualcosa di nuovo, e lei ce l'ha fatta, "dice Mele.