Los procesos no lineales permiten a los investigadores controlar y manipular la luz a través de interacciones con la materia. Aquí, La generación de frecuencia de suma mezcla dos colores de luz en un cristal para producir un nuevo tercer color. En este nuevo estudio, FLEET utiliza espectroscopía no lineal para controlar la estructura de bandas electrónica de una sola capa atómica. Crédito:FLOTA
Se ha demostrado que los pulsos de luz ultracortos no se pueden distinguir de la iluminación continua, en términos de control de los estados electrónicos del disulfuro de tungsteno de material atómicamente delgado (WS2).
Un nuevo estudio dirigido por Swinburne demuestra que los pulsos de luz ultracortos se pueden utilizar para impulsar las transiciones a nuevas fases de la materia. ayudando a la búsqueda de un futuro basado en Floquet, Electrónica de bajo consumo.
Existe un gran interés en controlar transitoriamente la estructura de bandas de un semiconductor monocapa mediante el uso de pulsos de luz ultracortos para crear y controlar nuevas fases exóticas de la materia.
Los estados temporales resultantes conocidos como estados Floquet-Bloch son interesantes desde un punto de vista de investigación pura, así como para una nueva clase propuesta de transistor basado en aisladores topológicos Floquet (FTI).
En un hallazgo importante, Se demostró que los pulsos de luz ultracortos necesarios para detectar la formación de estados Floquet eran tan efectivos para activar el estado como la iluminación continua. una pregunta importante que, hasta ahora, se había ignorado en gran medida.
Una onda continua o pulsos ultracortos:el problema del tiempo
Física de floquet, que se ha utilizado para predecir cómo se puede transformar un aislante en un FTI, se basa en un campo puramente sinusoidal, es decir, continuo, iluminación monocromática (longitud de onda única) que no tiene principio ni fin.
El autor correspondiente, el profesor Jeff Davis (Universidad Tecnológica de Swinburne), dirige el laboratorio de espectroscopia ultrarrápida de Swinburne. Crédito:FLOTA
Para observar esta transición de fase, sin embargo, solo los pulsos ultracortos ofrecen intensidades de pico suficientes para producir un efecto detectable. Y ahí está el problema.
Encender o apagar incluso la fuente de luz más pura introduce una amplia gama de frecuencias adicionales al espectro de la luz; cuanto más abrupto sea el cambio, cuanto más banda ancha sea el espectro. Como resultado, Los pulsos ultracortos como los que se utilizan aquí no se ajustan a los supuestos en los que se basa la física de Floquet.
"Los pulsos ultracortos son lo más lejos posible de una onda monocromática, "dice el Dr. Stuart Earl de la Universidad Tecnológica de Swinburne (Australia).
"Sin embargo, ahora hemos demostrado que incluso con pulsos de menos de 15 ciclos ópticos (34 femtosegundos, o 34 millonésimas de mil millonésimas de segundo), eso simplemente no importa ".
La espectroscopia de bomba-sonda de monocapa atómica provoca una respuesta instantánea
Debido a su fuerte interacción con la luz, el WS 2 El cristal monocapa es visible a pesar de que consta de una sola capa de átomos. Su interacción es tan fuerte que los fotones que emite se detectan fácilmente en un laboratorio bien iluminado. incluso a temperatura ambiente, como se muestra en el mapa de fotoluminiscencia insertado. Crédito:FLOTA
Dr. Earl, con colaboradores de la Universidad Nacional de Australia y el Centro ARC para Tecnologías Electrónicas Futuras de Bajo Consumo (FLEET), sometido a una monocapa atómica de disulfuro de tungsteno (WS 2 ) a pulsos de luz de diferente duración pero con la misma energía total, alterando la intensidad máxima de forma controlada.
WS 2 es un dicalcogenuro de metal de transición (TMD), una familia de materiales investigados para su uso en la electrónica futura "más allá de CMOS".
El equipo utilizó espectroscopia de bomba-sonda para observar un cambio transitorio en la energía del excitón A de WS 2 debido al efecto óptico Stark (la realización más simple de la física Floquet). Gracias a su uso de un pulso de bomba sub-bandgap, la señal que midieron, que persistió solo durante el tiempo que el pulso mismo, se debió a las interacciones entre el equilibrio y los estados virtuales revestidos de fotones dentro de la muestra.
"Puede sonar extraño que podamos aprovechar los estados virtuales para manipular una transición real", dice el Dr. Earl. "Pero debido a que usamos un pulso de bomba sub-banda prohibida, no se poblaron estados reales ".
"El WS 2 respondió instantáneamente, pero más significativamente, su respuesta dependía linealmente de la intensidad instantánea del pulso, como si hubiéramos encendido un campo monocromático infinitamente lento, es decir, adiabáticamente "explica el profesor Jeff Davis, también en la Universidad Tecnológica de Swinburne. "Este fue un hallazgo emocionante para nuestro equipo. A pesar de que los pulsos son extremadamente cortos, los estados del sistema se mantuvieron coherentes ".
Las "franjas" en la reflectancia diferencial (en función del retardo relativo entre los pulsos de la bomba y la sonda) indican que el pulso de la bomba desplaza la banda prohibida de la monocapa como si se introdujera infinitamente lentamente, a pesar de tener solo 34 fs de largo. Crédito:FLOTA
Una perturbación adiabática es aquella que se introduce muy lentamente, para que los estados del sistema tengan tiempo de adaptarse, un requisito fundamental para las FTI. Si bien los pulsos ultracortos no deberían ser compatibles con este requisito, este resultado proporciona una clara evidencia de que para estas monocapas atómicas, ellas hacen. Esto ahora permite al equipo atribuir cualquier evidencia de comportamiento no adiabático a la muestra, en lugar de su experimento.
Estos hallazgos ahora permiten al equipo de FLEET explorar los estados de Floquet-Bloch en estos materiales con un pulso por encima de la banda prohibida, cuales, teóricamente, debe conducir el material a la fase exótica conocida como aislante topológico Floquet. La comprensión de este proceso debería ayudar a los investigadores a incorporar estos materiales en una nueva generación de productos de baja energía, ancho de banda alto, y potencialmente ultrarrápido, transistores.
Los sistemas que exhiben transporte sin disipación cuando se los saca del equilibrio se estudian dentro del tema de investigación 3 de FLEET, buscando nuevas, electrónica de energía ultrabaja para hacer frente al aumento, energía insostenible consumida por la computación (ya el 8% de la electricidad mundial, y duplicando cada década).
