Den genomskinliga kristallen i mitten av denna illustration är en topologisk isolator, ett kvantmaterial där elektroner (vita prickar) flödar fritt på dess yta men inte genom dess inre. Genom att träffa en TI med kraftfulla pulser av cirkulärt polariserat laserljus (röd spiral), genererade SLAC och Stanfords forskare övertoner som avslöjade vad som händer när ytan växlar ur sin kvantfas och blir en vanlig isolator. Kredit:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Topologiska isolatorer, eller TI, har två ytor:Elektroner flödar fritt längs deras ytkanter, som bilar på en motorväg, men kan inte flöda genom det inre av materialet alls. Det krävs en speciell uppsättning villkor för att skapa detta unika kvanttillstånd - dels elektrisk ledare, dels isolator - som forskare hoppas kunna utnyttja för saker som spintronik, kvantberäkning och kvantavkänning. För nu försöker de bara förstå vad som får TI:s att ticka.
I den senaste utvecklingen i denna linje undersökte forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University systematiskt "fasövergången" där en TI förlorar sina kvantegenskaper och blir bara ytterligare en vanlig isolator.
De gjorde detta genom att använda spiralformade strålar av laserljus för att generera övertoner - ungefär som vibrationerna från en plockad gitarrsträng - från materialet de undersökte. Dessa övertoner gör det enkelt att skilja vad som händer i motorvägslagret från vad som händer i det inre och se hur det ena tillståndet ger vika för det andra, rapporterade de i Nature Photonics idag.
"De övertoner som genereras av materialet förstärker de effekter vi vill mäta, vilket gör detta till ett mycket känsligt sätt att se vad som händer i en TI", säger Christian Heide, en postdoktor vid Stanford PULSE Institute vid SLAC, som ledde experimenten. .
"Och eftersom detta ljusbaserade tillvägagångssätt kan göras i ett labb med bordsutrustning, gör det att utforska dessa material enklare och mer tillgängligt än vissa tidigare metoder."
Dessa resultat är spännande, tillade PULSEs huvudutredare Shambhu Ghimire, eftersom de visar att den nya metoden har potential för att se TI:er vända fram och tillbaka mellan motorvägar och isolerande tillstånd när det händer och i fina detaljer - ungefär som en kamera med en mycket snabb slutare hastighet.
Diagram över en experimentell uppställning vid SLAC:s högeffektlaserlabb där forskare använde cirkulärt polariserat laserljus för att undersöka en topologisk isolator - en typ av kvantmaterial som leder elektrisk ström på sina ytor men inte genom dess inre. En process som kallas hög övertonsgenerering flyttar laserljuset till högre energier och frekvenser, eller övertoner, när det passerar genom en TI. Övertonerna gör det möjligt för forskare att tydligt urskilja vad elektroner gör i materialets ledande yta och dess isolerande inre. Kredit:Shambhu Ghimire/Stanford PULSE Institute
En lång resa med övertoner
Detta var den senaste i en serie studier ledda av Ghimire och PULSE-regissören David Reis om generering av hög harmonisk, eller HHG, ett fenomen som flyttar laserljus till högre energier och frekvenser genom att lysa det genom ett material. Frekvenserna skiftas i distinkta steg, som toner som görs genom att trycka på en gitarrsträng.
Under de senaste dussin åren har deras forskargrupp lyckats göra detta i ett antal material som ansågs vara osannolika eller till och med omöjliga kandidater för HHG, inklusive en kristall, frusen argongas och ett atomärt tunt halvledarmaterial. De kunde till och med producera attosekundlaserpulser – som bara är en miljarddels miljarddels sekund långa och kan användas för att observera och kontrollera elektronernas rörelser – genom att lysa en laser genom vanligt glas.
För fyra år sedan anslöt sig postdoktorn Denitsa Baykusheva till PULSE-gruppen i syfte att se om det var möjligt att generera HHG i topologiska isolatorer – en bedrift som aldrig hade uppnåtts i något kvantmaterial. Under flera års arbete upptäckte teamet att ja, det kunde göras, men bara om laserljuset var cirkulärt polariserat.
Och detta spiralformade laserljus hade en bonus:Genom att variera dess polarisering kunde de få starka, separata signaler från TI:s motorvägsyta och dess vägspärrade interiör. Detta gjorde det möjligt för dem att enkelt skilja vad som pågick i de två kontrasterande delarna av materialet.
I den aktuella studien satte de sig för att demonstrera vad den nya metoden kunde göra genom att variera sammansättningen av deras TI-material, vismutselenid, och egenskaperna hos de ultrakorta pulserna av laserljus de träffade den med för att se hur varje kombination påverkade övertonerna materialet som genereras.
Laserljus är vanligtvis linjärt polariserat, vilket betyder att dess vågor svänger i endast en riktning - upp och ner, i exemplet till vänster. Men den kan också vara cirkulärt polariserad, till höger, så att dess vågor spiralformar som en korkskruv runt den riktning som ljuset rör sig. En ny studie från SLAC och Stanford 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
Spiraler möter orenheter
Först tog de sina prover till SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) för undersökning med en röntgenteknik som kallas angle-resolved photoemission spectroscopy, eller ARPES. Detta gjorde det möjligt för dem att begränsa det allmänna området där övergången äger rum.
Sedan, tillbaka i labbet, zoomade de in för att se mer detaljer.
De förberedde en serie vismutselenidprover - vissa rena och andra innehållande olika nivåer av en kemisk förorening som är känd för att påverka elektronbeteende. Några av proverna var topologiska isolatorer och andra var vanliga isolatorer.
Sedan träffar de proverna med laserpulser av olika energier och grader och polarisationsriktningar.
De upptäckte att cirkulärt polariserade pulser, särskilt de som spiralerade medurs, var mycket effektivare för att producera höga övertoner från motorvägsytor än från isolerande delar av materialet. "Skillnaden mellan de två var enorm," sa Heide, så teamet kunde lätt skilja de två staterna från varandra.
Medan rena prover var klassiska TI, började materialet förlora sina topologiska förmågor vid en föroreningsnivå på cirka 4 % och förlorade dem totalt med 20 %. Vid den tidpunkten var materialet en vanlig isolator.
De ultrakorta laserpulserna som används i den här studien - cirka 100 femtosekunder, eller miljondelar av en miljarddels sekund, långa - passerar rakt igenom provet utan att skada det och kan ställas in för att undersöka vilken plats som helst inuti det, säger Heide att "det är en mycket stor fördel."
Och som en kamera med en supersnabb slutartid bör denna relativt lilla och prisvärda laseruppställning kunna observera egenskaperna hos den topologiska övergången, såväl som andra elektroniska egenskaper och processer, i mycket finare detalj och när de förändras i verkligheten tid, sa Ghimire.
"Det är en möjlighet som gör den här helt optiska metoden intressant och ger den ett brett utbud av potentiella tillämpningar," sa han, "och det är något vi planerar att utforska i framtida experiment." + Utforska vidare
