Bärkrökning är kanske inte det mest kända vetenskapliga konceptet, men för många fysiker, dess direkta mätning är något som liknar en helig gral.

En kraftfull förenande princip inom flera grenar av klassisk och kvantfysik, Bärkrökning är en märklig och svårfångad kvantmekanisk egenskap hos fasta ämnen. Den styr dynamiken i laddningarnas rörelser i halvledare men kan inte mätas direkt.

Om det kunde vara, den resulterande beräkningen kan leda till nya material för kvantberäkning.

Nu, UC Santa Barbara fysiker har öppnat dörren till den första direkta mätningen av bärkrökning i fast materia. Deras arbete, publiceras i tidskriften Fysisk granskning X , bygger på en tidigare UCSB-artikel där de beskriver experiment som resulterar i en elektron-hålsrekollision som uppnås genom att rikta hög- och lågfrekventa laserstrålar mot en halvledare gjord av galliumarsenid.

För den nya tidningen, forskare från UCSB:s Sherwin Group samarbetade med kollegor i Kina, vid Princeton University och vid U.S. Naval Research Laboratory för att förbättra det tidigare experimentet. De upptäckte ett överraskande nytt fenomen med samma halvledare utsatt för extremt starka laserfält som svänger nästan 1 biljon gånger per sekund (1 terahertz). Kallas dynamisk dubbelbrytning, detta fenomen kan användas för att undersöka bärkrökningen.

"När vi ursprungligen gjorde experimentet, vi kunde bara upptäcka ett sidband åt gången och proverna var mycket ömtåliga och svårare att arbeta med, " förklarade motsvarande författare Mark Sherwin, direktör för UCSB:s Institute for Terahertz Science and Technology och professor vid institutionen för fysik.

Hunter Banks, huvudförfattare till den nya tidningen, installerade en kamera som gjorde att teamet kunde se alla sidoband samtidigt, vilket minskade experimentets varaktighet och ökade dess känslighet. Han förbättrade också hur proverna monterades och ökade styrkan på det elektriska terahertzfältet som kunde appliceras.

Dessa förbättringar avslöjade sidoband separerade med så mycket som 90 gånger fotonenergin från terahertz - mer än tre gånger mängden i det ursprungliga experimentet. Sherwin noterade att en ökad mängd sidband gjorde att teamet kunde lära sig mer om halvledaren. "Så vitt vi vet, detta enorma antal sidband är den högsta ordningens olinjära optiska process i fasta ämnen, " han sa.

Genererad av en unik laser inrymd i en dedikerad byggnad vid UCSB, dessa experiment driver tunna lager av halvledare medan de belyses av svagt infrarött ljus. Det infraröda ljuset polariseras på ett av två sätt:antingen parallellt eller vinkelrätt mot terahertzfältet.

"Det infraröda ljuset som sänds genom halvledaren uppvisar ett regnbågsliknande spektrum som innehåller dussintals frekvenser, eller sidband, "Förklarade Sherwin. "Oväntat, sidbanden är vanligtvis starkare när den infraröda strålen är polariserad vinkelrätt mot terahertzfältet. På något sätt definierar terahertz faktiskt en axel som fungerar som en polariserande. Vi kallar detta fenomen dynamisk dubbelbrytning, och det uppstår som en direkt konsekvens av bärkrökningen."

Det skapar också möjligheter för tillämpningar i nya klasser av elektroniska och optiska enheter.

"Vi planerar att förvandla dynamisk dubbelbrytning till en direkt mätning av Berrys krökning, "Sherwin förklarade. "När du kan mäta något som är en grundläggande egenskap hos ett fast ämne, sedan, när du designar nya material, du kan optimera Berry-kurvaturen för en viss enhet."

För att navigera genom en kommenterad 3D-rendering med virtuell verklighet, Klicka här.