Forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University upptäckte att intensiv fokusering, cirkulärt polariserat laserljus på en topologisk isolator genererar övertoner som kan användas för att undersöka elektronbeteende i materialets topologiska yta, en sorts elektronmotorväg där elektroner flödar utan förlust. Tekniken bör kunna tillämpas på ett brett spektrum av kvantmaterial. Kredit:Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
Topologiska isolatorer är ett av de mest förbryllande kvantmaterialen - en klass av material vars elektroner samarbetar på överraskande sätt för att producera oväntade egenskaper. Kanterna på en TI är elektronmotorvägar där elektroner strömmar utan förlust, ignorerar föroreningar eller andra hinder på deras väg, medan huvuddelen av materialet blockerar elektronflödet.
Forskare har studerat dessa förbryllande material sedan de upptäcktes för drygt ett decennium sedan med ett öga för att utnyttja dem för saker som kvantberäkning och informationsbehandling.
Nu har forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University uppfunnit en ny, hands-off sätt att undersöka de snabbaste och mest tillfälliga fenomenen inom en TI och tydligt skilja vad dess elektroner gör på motorvägskanterna från vad de gör överallt annars.
Tekniken drar fördel av ett fenomen som kallas hög harmonisk generering, eller HHG, som skiftar laserljus till högre energier och högre frekvenser – ungefär som att trycka på en gitarrsträng ger en högre ton – genom att lysa den genom ett material. Genom att variera polariseringen av laserljus som går in i en TI och analysera det förskjutna ljuset som kommer ut, forskare fick starka och separata signaler som berättade för dem vad som hände i var och en av materialets två kontrasterande domäner.
"Vad vi fick reda på är att ljuset som kommer ut ger oss information om egenskaperna hos motorvägsytorna, " sa Shambhu Ghimire, en huvudutredare vid Stanford PULSE Institute vid SLAC, där arbetet utfördes. "Denna signal är ganska anmärkningsvärd, och dess beroende av laserljusets polarisering skiljer sig dramatiskt från vad vi ser i konventionella material. Vi tror att vi har ett potentiellt nytt tillvägagångssätt för att initiera och undersöka kvantbeteenden som är tänkta att finnas i ett brett spektrum av kvantmaterial."
Forskargruppen rapporterade resultaten i Fysisk granskning A i dag.
Ljus in, släckt
Från och med 2010, en serie experiment ledda av Ghimire och PULSE-regissören David Reis visade att HHG kan produceras på sätt som tidigare ansågs osannolika eller till och med omöjliga:genom att stråla laserljus in i en kristall, en frusen argongas eller ett atomärt tunt halvledarmaterial. En annan studie beskrev hur man använder HHG för att generera attosecond laserpulser, som kan användas för att observera och kontrollera elektronernas rörelser, genom att lysa en laser genom vanligt glas.
Under 2018, Denitsa Baykusheva, en Swiss National Science Foundation Fellow med en bakgrund inom HHG-forskning, gick med i PULSE-gruppen som postdoktor. Hennes mål var att studera potentialen för att generera HHG i topologiska isolatorer - den första sådana studien i ett kvantmaterial. "Vi ville se vad som händer med den intensiva laserpulsen som används för att generera HHG, ", sa hon. "Ingen hade faktiskt fokuserat ett så starkt laserljus på dessa material tidigare."
Laserljus är vanligtvis linjärt polariserat, vilket betyder att dess vågor svänger i bara en riktning - upp och ner, i exemplet till vänster. Men det kan också vara cirkulärt polariserat, till höger, så dess vågor går i spiral som en korkskruv runt den riktning som ljuset rör sig. En ny studie från SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University förutspår att detta cirkulärt polariserade ljus kan användas för att utforska kvantmaterial på sätt som inte var möjliga tidigare. Kredit:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Men mitt i dessa experiment, COVID-19-pandemin slog till och labbet stängdes i mars 2020 för allt utom viktig forskning. Så laget var tvungen att tänka på andra sätt att göra framsteg, sa Baykusheva.
"I ett nytt forskningsområde som detta, teori och experiment måste gå hand i hand, " förklarade hon. "Teori är avgörande för att förklara experimentella resultat och även förutsäga de mest lovande vägarna för framtida experiment. Så vi förvandlade oss alla till teoretiker"—först arbetade vi med penna och papper och sedan skrev kod och gjorde beräkningar för att mata in datormodeller.
Ett lysande resultat
Till deras förvåning, resultaten förutspådde att cirkulärt polariserat laserljus, vars vågor spirar runt strålen som en korkskruv, skulle kunna användas för att trigga HHG i topologiska isolatorer.
"En av de intressanta sakerna vi observerade är att cirkulärt polariserat laserljus är mycket effektivt för att generera övertoner från motorvägsytorna på den topologiska isolatorn, men inte från resten av det, " sa Baykusheva. "Detta är något mycket unikt och specifikt för den här typen av material. Det kan användas för att få information om elektroner som färdas på motorvägarna och de som inte gör det, och den kan också användas för att utforska andra typer av material som inte kan sonderas med linjärt polariserat ljus."
Resultaten ger ett recept för att fortsätta utforska HHG i kvantmaterial, sa Reis, som är medförfattare till studien.
"Det är anmärkningsvärt att en teknik som genererar starka och potentiellt störande fält, som tar elektroner i materialet och stöter runt dem och använder dem för att undersöka egenskaperna hos själva materialet, kan ge dig en så tydlig och robust signal om materialets topologiska tillstånd, " han sa.
"Det faktum att vi kan se vad som helst är fantastiskt, för att inte tala om det faktum att vi potentiellt skulle kunna använda samma ljus för att ändra materialets topologiska egenskaper."
Experimenten på SLAC har återupptagits på en begränsad basis, Reis lade till, och resultatet av det teoretiska arbetet har gett teamet nytt förtroende att de vet exakt vad de letar efter.
