Il cristallo traslucido al centro di questa illustrazione è un isolante topologico, un materiale quantistico in cui gli elettroni (punti bianchi) scorrono liberamente sulla sua superficie ma non attraverso il suo interno. Colpendo un TI con potenti impulsi di luce laser polarizzata circolarmente (spirale rossa), gli scienziati di SLAC e Stanford hanno generato armoniche che hanno rivelato cosa succede quando la superficie esce dalla sua fase quantistica e diventa un normale isolante. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Gli isolanti topologici, o TI, hanno due facce:gli elettroni scorrono liberamente lungo i bordi della superficie, come le auto su un'autostrada, ma non possono affatto fluire attraverso l'interno del materiale. Ci vuole una serie speciale di condizioni per creare questo stato quantistico unico, in parte conduttore elettrico, in parte isolante, che i ricercatori sperano di sfruttare un giorno per cose come la spintronica, l'informatica quantistica e il rilevamento quantistico. Per ora, stanno solo cercando di capire cosa fa funzionare i TI.
Nell'ultimo progresso in tal senso, i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia e della Stanford University hanno sistematicamente sondato la "transizione di fase" in cui un TI perde le sue proprietà quantistiche e diventa solo un altro normale isolante.
Lo hanno fatto utilizzando raggi di luce laser a spirale per generare armoniche, proprio come le vibrazioni di una corda pizzicata, dal materiale che stavano esaminando. Queste armoniche rendono facile distinguere ciò che sta accadendo nello strato dell'autostrada da ciò che sta accadendo all'interno e vedere come uno stato cede il passo all'altro, hanno riportato in Nature Photonics oggi.
"Le armoniche generate dal materiale amplificano gli effetti che vogliamo misurare, rendendo questo un modo molto sensibile per vedere cosa sta succedendo in un TI", ha affermato Christian Heide, ricercatore post-dottorato presso lo Stanford PULSE Institute dello SLAC, che ha guidato gli esperimenti .
"E poiché questo approccio basato sulla luce può essere eseguito in un laboratorio con apparecchiature da tavolo, rende l'esplorazione di questi materiali più semplice e accessibile rispetto ad alcuni metodi precedenti."
Questi risultati sono entusiasmanti, ha aggiunto Shambhu Ghimire, investigatore principale di PULSE, perché mostrano che il nuovo metodo ha il potenziale per osservare i TI che si spostano avanti e indietro tra gli stati dell'autostrada e dell'isolamento mentre accade e nei minimi dettagli, proprio come una fotocamera con un otturatore molto veloce velocità.
Diagramma di una configurazione sperimentale presso il laboratorio laser ad alta potenza dello SLAC in cui gli scienziati hanno utilizzato la luce laser polarizzata circolarmente per sondare un isolante topologico, un tipo di materiale quantistico che conduce corrente elettrica sulle sue superfici ma non attraverso il suo interno. Un processo chiamato alta generazione di armoniche sposta la luce laser a energie e frequenze più elevate, o armoniche, mentre passa attraverso un TI. Le armoniche consentono agli scienziati di distinguere chiaramente cosa stanno facendo gli elettroni nella superficie conduttiva del materiale e nel suo interno isolante. Credito:Shambhu Ghimire/Stanford PULSE Institute
Un lungo viaggio armonico
Questo è stato l'ultimo di una serie di studi condotti da Ghimire e dal direttore di PULSE David Reis sulla generazione di armoniche elevate, o HHG, un fenomeno che sposta la luce laser a energie e frequenze più elevate facendola brillare attraverso un materiale. Le frequenze vengono spostate in passi distinti, come le note fatte premendo su una corda di chitarra.
Negli ultimi dodici anni, il loro team di ricerca è riuscito a farlo in una serie di materiali che si pensava fossero candidati improbabili o addirittura impossibili per HHG, tra cui un cristallo, gas argon congelato e un materiale semiconduttore atomicamente sottile. Sono stati persino in grado di produrre impulsi laser ad attosecondi, che sono lunghi solo un miliardesimo di miliardesimo di secondo e possono essere utilizzati per osservare e controllare i movimenti degli elettroni, illuminando un laser attraverso il vetro normale.
Quattro anni fa, la ricercatrice post-dottorato Denitsa Baykusheva si è unita al gruppo PULSE con l'obiettivo di vedere se fosse possibile generare HHG in isolanti topologici, un'impresa che non era mai stata raggiunta in nessun materiale quantistico. In diversi anni di lavoro il team ha scoperto che sì, si poteva fare, ma solo se la luce laser fosse polarizzata circolarmente.
E questa luce laser a spirale aveva un vantaggio:variando la sua polarizzazione, erano in grado di ottenere segnali forti e separati dalla superficie dell'autostrada della TI e dal suo interno bloccato. Questo ha permesso loro di distinguere facilmente cosa stava succedendo in quelle due parti contrastanti del materiale.
Nel presente studio, hanno deciso di dimostrare cosa potrebbe fare il nuovo metodo variando la composizione del loro materiale TI, il seleniuro di bismuto, e le proprietà degli impulsi ultracorti di luce laser con cui lo hanno colpito per vedere come ciascuna combinazione ha influenzato le armoniche il materiale generato.
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 muovono a spirale come un cavatappi attorno alla direzione in cui viaggia la luce. Un nuovo studio di SLAC e Stanford 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
Le spirali incontrano le impurità
Per prima cosa hanno portato i loro campioni alla Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC per l'esame con una tecnica a raggi X chiamata spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta o ARPES. Ciò ha consentito loro di restringere il quartiere generale in cui avviene la transizione.
Quindi, di nuovo nel laboratorio, hanno ingrandito per vedere più dettagli.
Hanno preparato una serie di campioni di seleniuro di bismuto, alcuni puri e altri contenenti livelli variabili di un'impurità chimica nota per influenzare il comportamento degli elettroni. Alcuni dei campioni erano isolanti topologici e altri erano semplici isolanti.
Quindi hanno colpito i campioni con impulsi laser di diverse energie e gradi e direzioni di polarizzazione.
Hanno scoperto che gli impulsi polarizzati circolarmente, in particolare quelli a spirale in senso orario, erano molto più efficienti nel produrre armoniche elevate dalle superfici delle autostrade che dalle parti isolanti del materiale. "La differenza tra i due era enorme", ha detto Heide, quindi il team ha potuto facilmente distinguere i due stati.
Mentre i campioni puri erano TI classici, il materiale ha iniziato a perdere le sue capacità topologiche a un livello di impurità di circa il 4% e le ha perse del tutto del 20%. A quel punto il materiale era un normale isolante.
Gli impulsi laser ultracorti utilizzati in questo studio, lunghi circa 100 femtosecondi, o milionesimi di miliardesimo di secondo, passano attraverso il campione senza danneggiarlo e possono essere regolati per sondare qualsiasi punto al suo interno, Heide afferma che "è un molto grande vantaggio."
E come una fotocamera con una velocità dell'otturatore superveloce, questa configurazione laser relativamente piccola ed economica dovrebbe essere in grado di osservare le caratteristiche della transizione topologica, così come altre proprietà e processi elettronici, con dettagli molto più fini e mentre cambiano in realtà tempo, disse Ghimire.
"Questa è una possibilità che rende interessante questo metodo completamente ottico e gli offre un'ampia gamma di potenziali applicazioni", ha affermato, "ed è qualcosa che prevediamo di esplorare in esperimenti futuri". + Esplora ulteriormente
