Bessenkromming is misschien niet het meest bekende wetenschappelijke concept, maar voor veel natuurkundigen, de directe meting ervan is vergelijkbaar met een heilige graal.

Een krachtig verenigend principe in verschillende takken van klassieke en kwantumfysica, Bessenkromming is een vreemde en ongrijpbare kwantummechanische eigenschap van vaste stoffen. Het regelt de dynamiek van de beweging van ladingen in halfgeleiders, maar kan zelf niet direct worden gemeten.

Als het zou kunnen, de resulterende berekening zou kunnen leiden tot nieuwe materialen voor quantum computing.

Nutsvoorzieningen, Natuurkundigen van UC Santa Barbara hebben de deur geopend voor de eerste directe meting van Berry-kromming in vaste materie. Hun werk, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X , bouwt voort op een eerder UCSB-artikel waarin ze experimenten beschrijven die resulteren in een elektron-gat-recollisie die wordt bereikt door hoog- en laagfrequente laserstralen te richten op een halfgeleider gemaakt van galliumarsenide.

Voor het nieuwe papier wetenschappers van de Sherwin Group van UCSB werkten samen met collega's in China, aan Princeton University en aan het U.S. Naval Research Laboratory om het vorige experiment te verbeteren. Ze ontdekten een verrassend nieuw fenomeen met dezelfde halfgeleider die werd blootgesteld aan extreem sterke laservelden die bijna 1 biljoen keer per seconde oscilleren (1 terahertz). Dynamische dubbele breking genoemd, dit fenomeen kan worden gebruikt om de kromming van Berry te onderzoeken.

"Toen we het experiment oorspronkelijk deden, we konden slechts één zijband tegelijk detecteren en de monsters waren erg kwetsbaar en moeilijker om mee te werken, " verklaarde corresponderende auteur Mark Sherwin, directeur van UCSB's Institute for Terahertz Science and Technology en een professor in de afdeling Natuurkunde.

Jager Banken, hoofdauteur van het nieuwe artikel, installeerde een camera waarmee het team alle zijbanden tegelijk kon zien, die de duur van het experiment verkortte en de gevoeligheid ervan verhoogde. Hij verbeterde ook de manier waarop de monsters werden gemonteerd en verhoogde de sterkte van het terahertz elektrische veld dat kon worden toegepast.

Deze verbeteringen onthulden zijbanden gescheiden door maar liefst 90 keer de fotonenergie van de terahertz - meer dan drie keer de hoeveelheid in het oorspronkelijke experiment. Sherwin merkte op dat een groter aantal zijbanden het team in staat stelde meer te leren over de halfgeleider. "Zo ver we weten, dit enorme aantal zijbanden is het hoogste niet-lineaire optische proces in vaste stoffen, " hij zei.

Gegenereerd door een unieke laser gehuisvest in een speciaal gebouw bij UCSB, deze experimenten drijven dunne lagen halfgeleider aan terwijl ze worden verlicht door zwak infrarood licht. Het infrarood licht wordt op twee manieren gepolariseerd:parallel aan of loodrecht op het terahertz-veld.

"Het infraroodlicht dat door de halfgeleider wordt uitgezonden, vertoont een regenboogachtig spectrum met tientallen frequenties, of zijbanden, " legde Sherwin uit. "Onverwacht, de zijbanden zijn meestal sterker wanneer de infraroodstraal loodrecht op het terahertz-veld wordt gepolariseerd. Op de een of andere manier definieert de terahertz eigenlijk een as die werkt als een polariserende as. We noemen dit fenomeen dynamische dubbele breking, en het ontstaat als een direct gevolg van Berry-kromming."

Het schept ook mogelijkheden voor toepassingen in nieuwe klassen van elektronische en optische apparaten.

"We zijn van plan om dynamische dubbele breking om te zetten in een directe meting van Berry-kromming, Sherwin legde uit. "Als je eenmaal iets kunt meten dat een basiseigenschap is van een vaste stof, dan, wanneer je nieuwe materialen ontwerpt, je kunt de Berry-kromming optimaliseren voor een bepaald apparaat."

Om door een geannoteerde 3D-weergave met virtual reality-mogelijkheden te navigeren, Klik hier.