Denna animation visar skapandet och försvinnandet av förhållanden som producerar vägar där elektricitet kan färdas utan motstånd i ett enda lager volframdisulfid. Den är baserad på simuleringar där materialet belyses med cirkulärt polariserat ljus vars våglängder varierar från nära infrarött till rött. Varje ram är ett diagram över materialets elektroner. Det tunna ljusa området som gradvis dyker upp i mitten av bilden och sedan försvinner visar de önskade förhållandena. Upphovsman:Martin Claassen/Stanford University
Teoretiska fysiker vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory använde datorsimuleringar för att visa hur speciella ljuspulser kunde skapa robusta kanaler där elektricitet strömmar utan motstånd i en atomärt tunn halvledare.
Om detta tillvägagångssätt bekräftas av experiment, det kan öppna dörren till ett nytt sätt att skapa och styra denna önskvärda egendom i ett större material än vad som är möjligt idag.
Resultatet publicerades i Naturkommunikation .
Under det senaste decenniet, Att förstå hur man skapar denna exotiska typ av material – känd som "topologiskt skyddad" eftersom dess yttillstånd är ogenomträngliga för mindre förvrängningar – har varit ett hett forskningsämne inom materialvetenskap. De mest kända exemplen är topologiska isolatorer, som leder elektricitet utan motstånd i begränsade kanaler längs sina kanter eller ytor, men inte genom deras interiörer.
SLAC och Stanford University forskare har varit i framkant när det gäller att upptäcka sådant material och undersöka deras egenskaper, som kan ha framtida tillämpningar i mikroelektroniska kretsar och enheter. Årets Nobelpris i fysik tilldelades tre vetenskapsmän som först föreslog möjligheten till topologiskt skyddade materialegenskaper.
Tidigare teoretiska studier hade tittat på hur ljus kan inducera topologiskt skyddade fenomen i grafen, ett ark av rent kol bara en atom tjockt. Tyvärr, det skulle krävas en opraktisk hög ljusenergi och intensitet för att framkalla den effekten i grafen. I den här studien, SLAC-forskare fokuserade på volframdisulfid och relaterade föreningar, som bildar ark som bara är en molekyl tjocka och som i sig är halvledande.
Forskarna simulerade experiment där pulser av cirkulärt polariserat ljus, i det röda till nära infraröda våglängdsområdet, träffa ett enda lager volframdisulfid. Resultaten visade att under den tid materialet upplystes, dess elektroner organiserade sig på ett sätt som i grunden skilde sig från grafen, skapa nya vägar med absolut inget elektriskt motstånd längs provets kanter.
För att redogöra för de fluktuerande interaktionerna mellan ljusvågor och elektroner, forskarna använde en periodvis tidsvarierande referensram som hade rötter tillbaka till 1880-talet och den franske matematikern Gaston Floquet. Tillvägagångssättet visade tydligt att ljus med lägre energi, för vilket materialet verkar genomskinligt, skulle skapa topologiskt skyddade, kantbanor utan motstånd i volframdisulfidmonoskiktet.
Dessutom, simuleringen visade att oönskad uppvärmning av materialet som skulle störa banorna kunde undvikas genom att ställa in ljusenergin till att vara något mindre än den mest effektiva "resonansenergin".
"Vi är de första som kopplar samman materialmodeller med de första principerna med ljusinducerade topologiskt skyddade tillstånd samtidigt som vi dämpar överskottsuppvärmning av material, sa Martin Claassen, en Stanford -doktorand som arbetar vid SLAC och huvudförfattare till det tekniska arbetet.
Forskarna för diskussioner med andra forskargrupper som skulle kunna leda till experiment som testar deras teoretiska förutsägelser i verkliga material.
