Investigadores del SLAC National Accelerator Laboratory y de la Universidad de Stanford descubrieron que el enfoque intenso, La luz láser polarizada circularmente en un aislante topológico genera armónicos que pueden usarse para sondear el comportamiento de los electrones en la superficie topológica del material. una especie de superautopista de electrones donde los electrones fluyen sin pérdida. La técnica debería ser aplicable a una amplia gama de materiales cuánticos. Crédito:Greg Stewart, Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Los aislantes topológicos son uno de los materiales cuánticos más desconcertantes:una clase de materiales cuyos electrones cooperan de formas sorprendentes para producir propiedades inesperadas. Los bordes de una TI son superautopistas de electrones donde los electrones fluyen sin pérdida, ignorando cualquier impureza u otros obstáculos en su camino, mientras que la mayor parte del material bloquea el flujo de electrones.
Los científicos han estudiado estos materiales desconcertantes desde su descubrimiento hace poco más de una década con el objetivo de aprovecharlos para cosas como la computación cuántica y el procesamiento de información.
Ahora, los investigadores del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han inventado un nuevo, de forma directa para sondear los fenómenos más rápidos y efímeros dentro de una TI y distinguir claramente lo que están haciendo sus electrones en los bordes de la superautopista de lo que están haciendo en cualquier otro lugar.
La técnica aprovecha un fenómeno llamado alta generación de armónicos, o HHG, que desplaza la luz láser a energías más altas y frecuencias más altas, al igual que presionar una cuerda de guitarra produce una nota más alta, al hacerla brillar a través de un material. Variando la polarización de la luz láser que entra en un TI y analizando la luz desplazada que sale, los investigadores obtuvieron señales fuertes y separadas que les dijeron lo que estaba sucediendo en cada uno de los dos dominios contrastantes del material.
"Lo que descubrimos es que la luz que sale nos da información sobre las propiedades de las superficies de las superautopistas, "dijo Shambhu Ghimire, investigador principal del Stanford PULSE Institute en SLAC, donde se llevó a cabo el trabajo. "Esta señal es bastante notable, y su dependencia de la polarización de la luz láser es dramáticamente diferente de lo que vemos en los materiales convencionales. Creemos que tenemos un enfoque potencialmente novedoso para iniciar y sondear comportamientos cuánticos que se supone que están presentes en una amplia gama de materiales cuánticos ".
El equipo de investigación informó los resultados en Revisión física A hoy dia.
Luz adentro luz fuera
A partir de 2010, una serie de experimentos dirigidos por Ghimire y el director de PULSE, David Reis, demostraron que la HHG se puede producir de formas que antes se pensaban poco probables o incluso imposibles:al emitir luz láser en un cristal, un gas argón congelado o un material semiconductor atómicamente delgado. Otro estudio describió cómo usar HHG para generar pulsos láser de attosegundos, que se puede utilizar para observar y controlar los movimientos de los electrones, al hacer brillar un láser a través de un vidrio ordinario.
En 2018, Denitsa Baykusheva, un miembro de la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza con experiencia en investigación de HHG, se incorporó al grupo PULSE como investigador postdoctoral. Su objetivo era estudiar el potencial para generar HHG en aisladores topológicos, el primer estudio de este tipo en un material cuántico. "Queríamos ver qué sucede con el intenso pulso láser utilizado para generar HHG, ", dijo." Nadie había enfocado una luz láser tan fuerte en estos materiales antes ".
La luz láser suele estar polarizada linealmente, lo que significa que sus ondas oscilan en una sola dirección:hacia arriba y hacia abajo, en el ejemplo de la izquierda. Pero también se puede polarizar circularmente, A la derecha, por lo que sus ondas giran en espiral como un sacacorchos alrededor de la dirección en la que viaja la luz. Un nuevo estudio del SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford predice que esta luz polarizada circularmente se puede utilizar para explorar materiales cuánticos de formas que antes no eran posibles. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Pero a mitad de esos experimentos, la pandemia de COVID-19 golpeó y el laboratorio cerró en marzo de 2020 para todo menos la investigación esencial. Así que el equipo tuvo que pensar en otras formas de progresar, Dijo Baykusheva.
"En una nueva área de investigación como esta, la teoría y el experimento deben ir de la mano, ", explicó." La teoría es esencial para explicar los resultados experimentales y también predecir las vías más prometedoras para experimentos futuros. Así que todos nos convertimos en teóricos ", primero trabajando con lápiz y papel y luego escribiendo código y haciendo cálculos para alimentar modelos de computadora.
Un resultado esclarecedor
Para su sorpresa, los resultados predijeron que la luz láser polarizada circularmente, cuyas ondas giran alrededor de la viga como un sacacorchos, podría utilizarse para activar HHG en aislantes topológicos.
"Una de las cosas interesantes que observamos es que la luz láser polarizada circularmente es muy eficiente para generar armónicos a partir de las superficies de la superautopista del aislante topológico, pero no del resto, ", Dijo Baykusheva." Esto es algo muy único y específico para este tipo de material. Se puede utilizar para obtener información sobre los electrones que viajan por las superautopistas y los que no, y también se puede utilizar para explorar otros tipos de materiales que no se pueden probar con luz polarizada linealmente ".
Los resultados establecen una receta para continuar explorando HHG en materiales cuánticos, dijo Reis, quien es coautor del estudio.
"Es notable que una técnica que genera campos fuertes y potencialmente disruptivos, que toma electrones en el material y los empuja y los usa para probar las propiedades del material en sí, puede darle una señal tan clara y sólida sobre los estados topológicos del material, " él dijo.
"El hecho de que podamos ver cualquier cosa es asombroso, sin mencionar el hecho de que potencialmente podríamos usar esa misma luz para cambiar las propiedades topológicas del material ".
Los experimentos en SLAC se han reanudado de forma limitada, Reis agregó, y los resultados del trabajo teórico le han dado al equipo una nueva confianza de que saben exactamente lo que están buscando.
