Los aisladores topológicos, o TI, tienen dos caras:los electrones fluyen libremente a lo largo de los bordes de su superficie, como los autos en una supercarretera, pero no pueden fluir a través del interior del material en absoluto. Se necesita un conjunto especial de condiciones para crear este estado cuántico único, en parte conductor eléctrico, en parte aislante, que los investigadores esperan explotar algún día para cosas como la espintrónica, la computación cuántica y la detección cuántica. Por ahora, solo están tratando de entender qué es lo que hace que los TI funcionen.

En el último avance en ese sentido, los investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford probaron sistemáticamente la "transición de fase" en la que un TI pierde sus propiedades cuánticas y se convierte en otro aislante ordinario.

Hicieron esto mediante el uso de rayos de luz láser en espiral para generar armónicos, muy parecidos a las vibraciones de una cuerda de guitarra, a partir del material que estaban examinando. Esos armónicos facilitan distinguir lo que sucede en la capa de la superautopista de lo que sucede en el interior y ver cómo un estado da paso al otro, informaron en Nature Photonics. hoy.

"Los armónicos generados por el material amplifican los efectos que queremos medir, lo que hace que esta sea una forma muy sensible de ver lo que sucede en un TI", dijo Christian Heide, investigador postdoctoral del Stanford PULSE Institute en SLAC, quien dirigió los experimentos. .

"Y dado que este enfoque basado en la luz se puede realizar en un laboratorio con equipos de sobremesa, hace que la exploración de estos materiales sea más fácil y accesible que algunos métodos anteriores".

Estos resultados son emocionantes, agregó el investigador principal de PULSE, Shambhu Ghimire, porque muestran que el nuevo método tiene potencial para ver los TI alternar entre los estados de supercarretera y de aislamiento a medida que sucede y con gran detalle, como si se usara una cámara con un obturador muy rápido. velocidad.

Un largo viaje armónico

Este fue el último de una serie de estudios dirigidos por Ghimire y el director de PULSE, David Reis, sobre la generación de armónicos altos, o HHG, un fenómeno que cambia la luz láser a energías y frecuencias más altas al hacerlo brillar a través de un material. Las frecuencias se desplazan en distintos pasos, como notas hechas al presionar una cuerda de guitarra.

Durante los últimos doce años, su equipo de investigación ha logrado hacer esto en una serie de materiales que se pensaba que eran candidatos poco probables o incluso imposibles para HHG, incluido un cristal, gas argón congelado y un material semiconductor atómicamente delgado. Incluso fueron capaces de producir pulsos de láser de attosegundos, que tienen una duración de solo una billonésima de una billonésima de segundo y se pueden usar para observar y controlar los movimientos de los electrones, al hacer brillar un láser a través de un vidrio ordinario.

Hace cuatro años, la investigadora postdoctoral Denitsa Baykusheva se unió al grupo PULSE con el objetivo de ver si era posible generar HHG en aisladores topológicos, una hazaña que nunca se había logrado en ningún material cuántico. Durante varios años de trabajo, el equipo descubrió que sí, que se podía hacer, pero solo si la luz láser estaba polarizada circularmente.

Y esta luz láser en espiral tenía una ventaja:al variar su polarización, pudieron obtener señales fuertes y separadas de la superficie de la supercarretera del TI y su interior bloqueado. Esto les permitió distinguir fácilmente lo que estaba pasando en esas dos partes contrastantes del material.

En el estudio actual, se propusieron demostrar lo que podría hacer el nuevo método al variar la composición de su material TI, el seleniuro de bismuto, y las propiedades de los pulsos ultracortos de luz láser con los que lo golpean para ver cómo cada combinación afecta los armónicos. el material generado.

Las espirales se encuentran con las impurezas

Primero llevaron sus muestras a la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC para examinarlas con una técnica de rayos X llamada espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo, o ARPES. Esto les permitió reducir el vecindario general donde se lleva a cabo la transición.

Luego, de vuelta en el laboratorio, hicieron zoom para ver más detalles.

Prepararon una serie de muestras de seleniuro de bismuto, algunas puras y otras que contenían niveles variables de una impureza química que se sabe que afecta el comportamiento de los electrones. Algunas de las muestras eran aisladores topológicos y otras eran aisladores simples.

Luego golpean las muestras con pulsos láser de diferentes energías y grados y direcciones de polarización.

Descubrieron que los pulsos polarizados circularmente, especialmente los que giraban en espiral en el sentido de las agujas del reloj, eran mucho más eficientes para producir armónicos altos en las superficies de las autopistas que en las partes aislantes del material. "La diferencia entre los dos era enorme", dijo Heide, por lo que el equipo pudo distinguir fácilmente los dos estados.

Si bien las muestras puras eran TI clásicos, el material comenzó a perder sus capacidades topológicas con un nivel de impureza de alrededor del 4 % y las perdió por completo en un 20 %. En ese momento, el material era un aislante ordinario.

Los pulsos de láser ultracortos utilizados en este estudio (alrededor de 100 femtosegundos, o millonésimas de una billonésima de segundo, de largo) atraviesan la muestra sin dañarla y pueden ajustarse para sondear cualquier punto dentro de ella, Heide dice que "eso es un gran beneficio."

Y al igual que una cámara con una velocidad de obturación súper rápida, esta configuración de láser relativamente pequeña y asequible debería poder observar las características de la transición topológica, así como otras propiedades y procesos electrónicos, con mucho más detalle y a medida que cambian en tiempo real. tiempo, dijo Ghimire.

"Esa es una posibilidad que hace que este método totalmente óptico sea interesante y le da una amplia gama de aplicaciones potenciales", dijo, "y es algo que planeamos explorar en futuros experimentos". + Explora más

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