Scoprire modi per controllare gli aspetti topologici dei materiali quantistici è un'importante frontiera della ricerca perché può portare a proprietà di trasporto elettrico e di spin desiderabili per le future tecnologie dei dispositivi. Ora gli scienziati dell'MPSD hanno scoperto un approccio pionieristico guidato dal laser per generare uno stato topologico nel grafene. Il loro lavoro è stato appena pubblicato su Fisica della natura .

Nei materiali topologici, gli elettroni sperimentano un mondo contorto. Invece di andare semplicemente dritto quando senti una forza, possono essere spinti lateralmente. In tale materiale la corrente scorre effettivamente ortogonalmente a una tensione applicata.

Il modello di base che descrive l'effetto è stato sviluppato da Duncan Haldane alla fine degli anni '80, ma anche il suo inventore era scettico sul fatto che potesse mai essere implementato in un materiale reale. Tuttavia, elaborata sintesi chimica alla fine ha permesso di osservare effetti molto simili, innescando una rivoluzione tecnologica e facendo guadagnare ad Haldane il Premio Nobel 2016 per la Fisica.

Il trasporto topologico è solitamente indotto nei materiali applicando forti campi magnetici o creando composti con un forte accoppiamento spin-orbita. I ricercatori del gruppo di Andrea Cavalleri al MPSD hanno ora dimostrato che un'interazione coerente con la luce polarizzata circolarmente può anche indurre correnti elettriche topologiche nel materiale grafene.

L'approccio radicalmente diverso del team consiste nell'illuminare il grafene con un forte, impulso laser polarizzato circolarmente, il cui campo elettrico guida gli elettroni in loop. Quando il materiale è illuminato, si comporta improvvisamente come un materiale topologico. Ritorna al suo stato normale una volta che l'impulso è andato.

Sebbene questo meccanismo fosse stato testato in simulazioni, non era del tutto chiaro se avrebbe funzionato nel contesto più complicato dei solidi reali e se sarebbe stato possibile rilevarlo.

Per dimostrare la loro scoperta, i fisici dovevano mostrare correnti che fluiscono in una direzione ortogonale a una tensione applicata. Però, c'era una grande sfida:"Poiché l'effetto persiste solo per circa un milionesimo di milionesimo di secondo, abbiamo dovuto sviluppare un nuovo tipo di circuito elettronico per misurare questo, ", afferma l'autore principale James McIver.

Il risultato è stato un'architettura del dispositivo optoelettronico ultraveloce basata su interruttori fotoconduttivi. Ha confermato l'esistenza dell'effetto. Andando avanti, i ricercatori hanno in programma di utilizzare questo circuito per studiare una serie di problemi avvincenti nei materiali quantistici, come la superconduttività indotta dalla luce e gli stati di bordo topologici vestiti da fotoni.

"Questo lavoro mostra che la luce è in grado di progettare proprietà topologiche in materiali topologicamente banali, " afferma il co-autore Gregor Jotzu. "L'aspetto ultraveloce di questo effetto ha un grande potenziale per la costruzione di sensori o computer estremamente veloci".