I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University hanno scoperto che concentrarsi intensamente, la luce laser polarizzata circolarmente su un isolante topologico genera armoniche che possono essere utilizzate per sondare il comportamento degli elettroni nella superficie topologica del materiale, una sorta di autostrada elettronica dove gli elettroni scorrono senza perdite. La tecnica dovrebbe essere applicabile a un'ampia gamma di materiali quantistici. Credito:Greg Stewart, Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC
Gli isolanti topologici sono uno dei materiali quantistici più sconcertanti, una classe di materiali i cui elettroni cooperano in modi sorprendenti per produrre proprietà inaspettate. I bordi di un TI sono autostrade elettroniche dove gli elettroni scorrono senza perdita, ignorando eventuali impurità o altri ostacoli sul loro cammino, mentre la maggior parte del materiale blocca il flusso di elettroni.
Gli scienziati hanno studiato questi materiali sconcertanti sin dalla loro scoperta poco più di dieci anni fa con l'obiettivo di sfruttarli per cose come l'informatica quantistica e l'elaborazione delle informazioni.
Ora i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University hanno inventato un nuovo, modo pratico per sondare i fenomeni più veloci ed effimeri all'interno di un TI e distinguere chiaramente ciò che i suoi elettroni stanno facendo sui bordi dell'autostrada da ciò che stanno facendo ovunque.
La tecnica sfrutta un fenomeno chiamato alta generazione di armoniche, o HHG, che sposta la luce laser a energie e frequenze più elevate, proprio come premere una corda di chitarra produce una nota più alta, facendola brillare attraverso un materiale. Variando la polarizzazione della luce laser che entra in una TI e analizzando la luce spostata in uscita, i ricercatori hanno ricevuto segnali forti e separati che hanno detto loro cosa stava succedendo in ciascuno dei due domini contrastanti del materiale.
"Quello che abbiamo scoperto è che la luce che esce ci dà informazioni sulle proprietà delle superfici autostradali, " disse Shambhu Ghimire, un investigatore principale con lo Stanford PULSE Institute presso SLAC, dove si è svolto il lavoro. "Questo segnale è davvero notevole, e la sua dipendenza dalla polarizzazione della luce laser è drammaticamente diversa da quella che vediamo nei materiali convenzionali. Pensiamo di avere un approccio potenzialmente nuovo per avviare e sondare comportamenti quantistici che dovrebbero essere presenti in un'ampia gamma di materiali quantistici".
Il team di ricerca ha riportato i risultati in Revisione fisica A oggi.
luce dentro, luce spenta
A partire dal 2010, una serie di esperimenti condotti da Ghimire e dal direttore di PULSE David Reis ha dimostrato che l'HHG può essere prodotto in modi che in precedenza erano ritenuti improbabili o addirittura impossibili:irradiando luce laser in un cristallo, un gas argon congelato o un materiale semiconduttore atomicamente sottile. Un altro studio ha descritto come utilizzare HHG per generare impulsi laser ad attosecondi, che può essere utilizzato per osservare e controllare i movimenti degli elettroni, facendo brillare un laser attraverso un vetro normale.
Nel 2018, Denitsa Baykusheva, un Fellow del Fondo Nazionale Svizzero con esperienza nella ricerca HHG, è entrato a far parte del gruppo PULSE come ricercatore post-dottorato. Il suo obiettivo era studiare il potenziale per la generazione di HHG negli isolanti topologici, il primo studio del genere in un materiale quantistico. "Volevamo vedere cosa succede all'intenso impulso laser utilizzato per generare HHG, " ha detto. "Nessuno aveva effettivamente focalizzato una luce laser così forte su questi materiali prima".
La luce laser è solitamente polarizzata linearmente, il che significa che le sue onde oscillano in una sola direzione - su e giù, nell'esempio a sinistra. Ma può anche essere polarizzato circolarmente, A destra, quindi le sue onde si avvolgono come un cavatappi intorno alla direzione in cui viaggia la luce. Un nuovo studio dello SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University prevede che questa luce polarizzata circolarmente può essere utilizzata per esplorare i materiali quantistici in modi che prima non erano possibili. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Ma a metà di quegli esperimenti, la pandemia di COVID-19 ha colpito e il laboratorio è stato chiuso nel marzo 2020 per tutto tranne che per la ricerca essenziale. Quindi il team ha dovuto pensare ad altri modi per fare progressi, disse Baykusheva.
"In un nuovo campo di ricerca come questo, teoria ed esperimento devono andare di pari passo, " ha spiegato. "La teoria è essenziale per spiegare i risultati sperimentali e anche prevedere le strade più promettenti per esperimenti futuri. Quindi ci siamo trasformati tutti in teorici", prima lavorando con carta e penna e poi scrivendo codice e facendo calcoli per alimentare i modelli di computer.
Un risultato illuminante
Con loro sorpresa, i risultati hanno predetto che la luce laser polarizzata circolarmente, le cui onde girano intorno alla trave come un cavatappi, potrebbe essere utilizzato per attivare HHG negli isolanti topologici.
"Una delle cose interessanti che abbiamo osservato è che la luce laser polarizzata circolarmente è molto efficiente nel generare armoniche dalle superfici dell'autostrada dell'isolante topologico, ma non dal resto, " ha detto Baykusheva. "Questo è qualcosa di molto unico e specifico per questo tipo di materiale. Può essere utilizzato per ottenere informazioni sugli elettroni che viaggiano sulle autostrade e su quelli che non lo fanno, e può anche essere usato per esplorare altri tipi di materiali che non possono essere sondati con luce polarizzata linearmente".
I risultati delineano una ricetta per continuare a esplorare l'HHG nei materiali quantistici, disse Reis, chi è coautore dello studio.
"È notevole che una tecnica che genera campi forti e potenzialmente dirompenti, che prende gli elettroni nel materiale e li spinge in giro e li usa per sondare le proprietà del materiale stesso, può darti un segnale così chiaro e robusto sugli stati topologici del materiale, " Egli ha detto.
"Il fatto che possiamo vedere qualsiasi cosa è sorprendente, per non parlare del fatto che potremmo potenzialmente usare quella stessa luce per cambiare le proprietà topologiche del materiale".
Gli esperimenti allo SLAC sono ripresi su base limitata, Reis ha aggiunto, ei risultati del lavoro teorico hanno dato al team una nuova fiducia nel sapere esattamente cosa stanno cercando.
