I processi non lineari consentono ai ricercatori di controllare e manipolare la luce tramite interazioni con la materia. Qui, la generazione di frequenza somma mescola due colori di luce in un cristallo per produrre un nuovo, terzo colore. In questo nuovo studio, FLEET utilizza la spettroscopia non lineare per controllare la struttura elettronica delle bande di un singolo strato atomico. Credito:FLEET
Gli impulsi di luce ultracorti si sono dimostrati indistinguibili dall'illuminazione continua, in termini di controllo degli stati elettronici del materiale atomicamente sottile disolfuro di tungsteno (WS2).
Un nuovo studio condotto da Swinburne dimostra che gli impulsi di luce ultracorti possono essere utilizzati per guidare le transizioni verso nuove fasi della materia, aiutando la ricerca del futuro a base di Floquet, elettronica a basso consumo.
C'è un interesse significativo nel controllare transitoriamente la struttura a bande di un semiconduttore monostrato utilizzando impulsi di luce ultra-corti per creare e controllare nuove fasi esotiche della materia.
Gli stati temporanei risultanti noti come stati di Floquet-Bloch sono interessanti da un punto di vista di pura ricerca, nonché per una nuova classe proposta di transistor basata su isolanti topologici Floquet (FTI).
In un importante ritrovamento, gli impulsi di luce ultrabrevi necessari per rilevare la formazione degli stati di Floquet si sono dimostrati efficaci nell'innescare lo stato quanto l'illuminazione continua, una domanda importante che, fino ad ora, era stato ampiamente ignorato.
Onda continua o impulsi ultracorti:il problema del tempo
Fisica Floquet, che è stato utilizzato per prevedere come un isolante può essere trasformato in un FTI, si basa su un campo puramente sinusoidale, cioè continuo, illuminazione monocromatica (singola lunghezza d'onda) che non ha inizio né fine.
L'autore corrispondente, il professor Jeff Davis (Swinburne University of Technology) guida il laboratorio di spettroscopia ultraveloce di Swinburne. Credito:FLEET
Per osservare questa transizione di fase, però, solo gli impulsi ultracorti offrono intensità di picco sufficienti per produrre un effetto rilevabile. E c'è il guaio.
Accendere o spegnere anche la sorgente di luce più pura introduce un'ampia gamma di frequenze aggiuntive nello spettro della luce; quanto più brusco è il cambio, più banda larga è lo spettro. Di conseguenza, impulsi ultracorti come quelli usati qui non sono conformi ai presupposti su cui si basa la fisica di Floquet.
"Gli impulsi ultracorti sono quanto di più possibile ottenere da un'onda monocromatica, " afferma il dottor Stuart Earl della Swinburne University of Technology (Australia).
"Però, abbiamo ora dimostrato che anche con impulsi inferiori a 15 cicli ottici (34 femtosecondi, o 34 milionesimi di miliardesimo di secondo), semplicemente non importa."
La spettroscopia pump-probe del monostrato atomico suscita una risposta istantanea
Grazie alla sua forte interazione con la luce, il WS 2 il cristallo monostrato è visibile nonostante sia costituito da un solo strato di atomi. La sua interazione è così forte che i fotoni che emette sono facilmente rilevabili in un laboratorio molto illuminato, anche a temperatura ambiente, come mostrato dalla mappa di fotoluminescenza nel riquadro. Credito:FLEET
Dottor Conte, con i collaboratori dell'Australian National University e dell'ARC Center for Future Low-Energy Electronic Technologies (FLEET), sottoposto un monostrato atomico di disolfuro di tungsteno (WS 2 ) a impulsi luminosi di lunghezza variabile ma della stessa energia totale, alterando l'intensità di picco in modo controllato.
WS 2 è un dicalcogenuro di metallo di transizione (TMD), una famiglia di materiali studiati per l'uso in elettronica futura "oltre CMOS".
Il team ha utilizzato la spettroscopia con sonda a pompa per osservare uno spostamento transitorio nell'energia dell'eccitone A di WS 2 per effetto ottico Stark (la realizzazione più semplice della fisica Floquet). Grazie al loro utilizzo di un impulso di pompa sub-bandgap, il segnale che hanno misurato, che persisteva solo finché l'impulso stesso, era dovuto alle interazioni tra l'equilibrio e gli stati virtuali vestiti da fotoni all'interno del campione.
"Potrebbe sembrare strano che possiamo sfruttare gli stati virtuali per manipolare una transizione reale", afferma il dott. Earl. "Ma poiché abbiamo usato un impulso di pompa sub-bandgap, nessuno stato reale era popolato".
"Il WS 2 ha risposto istantaneamente, ma più significativamente, la sua risposta dipendeva linearmente dall'intensità istantanea dell'impulso, proprio come se avessimo acceso un campo monocromatico infinitamente lentamente, questo è, adiabaticamente" spiega il professor Jeff Davis, anche alla Swinburne University of Technology. "Questa è stata una scoperta entusiasmante per il nostro team. Nonostante gli impulsi siano estremamente brevi, gli stati del sistema sono rimasti coerenti".
"Frange" in riflettanza differenziale (in funzione del ritardo relativo tra gli impulsi della pompa e della sonda) indicano che l'impulso della pompa sposta il bandgap del monostrato come se fosse introdotto infinitamente lentamente, nonostante sia lungo solo 34 fs. Credito:FLEET
Una perturbazione adiabatica è quella che si introduce molto lentamente, in modo che gli stati del sistema abbiano il tempo di adattarsi, un requisito cruciale per gli FTI. Sebbene gli impulsi ultracorti non dovrebbero essere compatibili con questo requisito, questo risultato fornisce una chiara evidenza che per questi monostrati atomici, loro fanno. Ciò consente ora al team di attribuire al campione qualsiasi evidenza di comportamento non adiabatico, piuttosto che al loro esperimento.
Questi risultati ora consentono al team FLEET di esplorare gli stati di Floquet-Bloch in questi materiali con un impulso al di sopra della banda proibita, quale, teoricamente, dovrebbe guidare il materiale nella fase esotica nota come isolante topologico Floquet. La comprensione di questo processo dovrebbe quindi aiutare i ricercatori a incorporare questi materiali in una nuova generazione di dispositivi a bassa energia, elevata larghezza di banda, e potenzialmente ultraveloce, transistor.
I sistemi che esibiscono un trasporto senza dissipazione quando vengono portati fuori dall'equilibrio sono studiati nell'ambito del tema di ricerca 3 di FLEET, cercando nuovo, elettronica a bassissimo consumo energetico per far fronte alla crescente, energia insostenibile consumata dal calcolo (già l'8% dell'elettricità mondiale, e raddoppiando ogni decennio).
