Insikter från kvantfysiken har gjort det möjligt för ingenjörer att införliva komponenter som används i kretskort, optiska fibrer, och styrsystem i nya applikationer, allt från smartphones till avancerade mikroprocessorer. Men, även med betydande framsteg som gjorts under de senaste åren, forskare letar fortfarande efter nya och bättre sätt att kontrollera de unikt kraftfulla elektroniska egenskaperna hos kvantmaterial.

En ny studie från Penn -forskare fann att Weyl semimetaller, en klass av kvantmaterial, har bulkkvanttillstånd vars elektriska egenskaper kan styras med ljus. Projektet leds av Ritesh Agarwal och doktorand Zhurun ​​Ji på School of Engineering and Applied Science i samarbete med Charles Kane, Eugene Mele, och Andrew M. Rappe vid School of Arts and Sciences, tillsammans med Zheng Liu från Nanyang Technological University. Penn's Zachariah Addison, Gerui Liu, Wenjing Liu, och Heng Gao, och Nanyangs Peng Yu, bidragit också till arbetet. Deras resultat publicerades i Naturmaterial .

En antydan om dessa okonventionella fotogalvaniska egenskaper, eller förmågan att generera elektrisk ström med hjälp av ljus, rapporterades först av Agarwal i kisel. Hans grupp kunde styra rörelsen av elektrisk ström genom att ändra kiraliteten, eller den inneboende symmetrin hos arrangemanget av kiselatomer, på materialets yta.

"Vid den tiden, vi försökte också förstå egenskaperna hos topologiska isolatorer, men vi kunde inte bevisa att det vi såg kom från dessa unika yttillstånd, "Förklarar Agarwal.

Sedan, medan vi utför nya experiment på Weyl -halvmetaller, där de unika kvanttillstånden finns i huvuddelen av materialet, Agarwal och Ji fick resultat som inte matchade några teorier som kunde förklara hur det elektriska fältet rörde sig när det aktiverades av ljus. Istället för att den elektriska strömmen flödar i en enda riktning, strömmen rörde sig runt halvmetallen i ett virvlande cirkulärt mönster.

Agarwal och Ji vände sig till Kane och Mele för att hjälpa till att utveckla en ny teoretisk ram som kunde förklara vad de såg. Efter att ha genomfört nya, extremt noggranna experiment för att iterativt eliminera alla andra möjliga förklaringar, fysikerna kunde begränsa de möjliga förklaringarna till en enda teori relaterad till ljusstrålens struktur.

"När du lyser på materia, det är naturligt att tänka på en ljusstråle som enhetlig i sidled, "säger Mele." Det som fick dessa experiment att fungera är att strålen har en gräns, och det som fick strömmen att cirkulera hade att göra med dess beteende vid balkens kant. "

Med hjälp av denna nya teoretiska ram, och införlivar Rappes insikter om elektronenerginivåerna inuti materialet, Ji kunde bekräfta den elektriska strömens unika cirkulära rörelser. Forskarna fann också att strömmen kan styras genom att ändra ljusstrålens struktur, såsom att ändra riktningen för dess polarisering eller fotonernas frekvens.

"Tidigare, när människor gjorde optoelektroniska mätningar, de antar alltid att ljuset är en plan våg. Men vi bröt den begränsningen och visade att inte bara ljuspolarisering utan även den rumsliga spridningen av ljus kan påverka ljus-materia-interaktionsprocessen, "säger Ji.

Detta arbete gör det möjligt för forskare att inte bara bättre observera kvantfenomen, men det ger ett sätt att konstruera och styra unika kvantegenskaper helt enkelt genom att ändra ljusstrålmönster. "Tanken att moduleringen av ljusets polarisering och intensitet kan förändra hur en elektrisk laddning transporteras kan vara en kraftfull designidé, säger Mele.

Framtida utveckling av "fotoniska" och "spintroniska" material som överför digitaliserad information baserad på rotationen av fotoner respektive elektroner möjliggörs också tack vare dessa resultat. Agarwal hoppas kunna utöka detta arbete till att inkludera andra optiska strålmönster, som "vriden ljus, "som kan användas för att skapa nya kvantberäkningsmaterial som gör att mer information kan kodas på en enda foton av ljus.

"Med kvantberäkning, alla plattformar är ljusbaserade, så det är fotonen som är bärare av kvantinformation. Om vi ​​kan konfigurera våra detektorer på ett chip, allt kan integreras, och vi kan läsa av fotonets tillstånd direkt, "Säger Agarwal.

Agarwal och Mele betonar den "heroiska" insats som Ji gjort, inklusive ytterligare ett års mätningar under genomförandet av en helt ny uppsättning experiment som var avgörande för tolkningen av studien. "Jag har sällan sett en doktorand ställas inför den utmaningen som inte bara kunde ta sig an den utan att bemästra den. Hon hade initiativet att göra något nytt, och hon fick det gjort, säger Mele.