Inzichten uit de kwantumfysica hebben ingenieurs in staat gesteld om componenten op te nemen die worden gebruikt in printplaten, optische vezels, en controlesystemen in nieuwe toepassingen, variërend van smartphones tot geavanceerde microprocessors. Maar, ondanks de aanzienlijke vooruitgang die de afgelopen jaren is geboekt, onderzoekers zijn nog steeds op zoek naar nieuwe en betere manieren om de unieke krachtige elektronische eigenschappen van kwantummaterialen te beheersen.

Een nieuwe studie van Penn-onderzoekers ontdekte dat Weyl-halfmetalen, een klasse van kwantummaterialen, hebben bulkkwantumtoestanden waarvan de elektrische eigenschappen kunnen worden gecontroleerd met behulp van licht. Het project werd geleid door Ritesh Agarwal en afgestudeerde student Zhurun ​​Ji aan de School of Engineering and Applied Science in samenwerking met Charles Kane, Eugène Mele, en Andrew M. Rappe in de School of Arts and Sciences, samen met Zheng Liu van de Nanyang Technological University. Penns Zachariah Addison, Gerui Liu, Wenking Liu, en Heng Gao, en Nanyang's Peng Yu, droeg ook bij aan het werk. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Een hint van deze onconventionele fotogalvanische eigenschappen, of het vermogen om elektrische stroom op te wekken met behulp van licht, werd voor het eerst gerapporteerd door Agarwal in silicium. Zijn groep was in staat om de beweging van elektrische stroom te beheersen door de chiraliteit te veranderen, of de inherente symmetrie van de rangschikking van siliciumatomen, op het oppervlak van het materiaal.

"In die tijd, we probeerden ook de eigenschappen van topologische isolatoren te begrijpen, maar we konden niet bewijzen dat wat we zagen afkomstig was van die unieke oppervlaktetoestanden, ' legt Agarwal uit.

Vervolgens, tijdens het uitvoeren van nieuwe experimenten op Weyl-halfmetalen, waar de unieke kwantumtoestanden bestaan ​​in het grootste deel van het materiaal, Agarwal en Ji kregen resultaten die niet overeenkwamen met theorieën die konden verklaren hoe het elektrische veld bewoog wanneer het door licht werd geactiveerd. In plaats van dat de elektrische stroom in een enkele richting vloeit, de stroom bewoog zich rond het halfmetaal in een wervelend cirkelvormig patroon.

Agarwal en Ji wendden zich tot Kane en Mele om te helpen een nieuw theoretisch kader te ontwikkelen dat zou kunnen verklaren wat ze zagen. Na het uitvoeren van nieuwe, uiterst grondige experimenten om iteratief alle andere mogelijke verklaringen te elimineren, de natuurkundigen waren in staat om de mogelijke verklaringen te beperken tot een enkele theorie met betrekking tot de structuur van de lichtstraal.

"Als je licht op materie laat schijnen, het is normaal om te denken dat een lichtstraal zijdelings uniform is, " zegt Mele. "Wat deze experimenten deed werken, is dat de straal een grens heeft, en wat de stroom deed circuleren, had te maken met zijn gedrag aan de rand van de straal."

Met behulp van dit nieuwe theoretische kader, en het opnemen van Rappe's inzichten over de elektronenenergieniveaus in het materiaal, Ji kon de unieke cirkelvormige bewegingen van de elektrische stroom bevestigen. De wetenschappers ontdekten ook dat de richting van de stroom kon worden gecontroleerd door de structuur van de lichtstraal te veranderen, zoals het veranderen van de richting van de polarisatie of de frequentie van de fotonen.

"Eerder, toen mensen opto-elektronische metingen deden, ze nemen altijd aan dat licht een vlakke golf is. Maar we hebben die beperking doorbroken en aangetoond dat niet alleen lichtpolarisatie, maar ook de ruimtelijke spreiding van licht het interactieproces tussen licht en materie kan beïnvloeden, " zegt Ji.

Met dit werk kunnen onderzoekers niet alleen kwantumverschijnselen beter observeren, maar het biedt een manier om unieke kwantumeigenschappen te ontwikkelen en te controleren door simpelweg lichtbundelpatronen te veranderen. "Het idee dat de modulatie van de polarisatie en intensiteit van licht kan veranderen hoe een elektrische lading wordt getransporteerd, zou een krachtig ontwerpidee kunnen zijn, ' zegt Melle.

Toekomstige ontwikkeling van "fotonische" en "spintronische" materialen die gedigitaliseerde informatie overdragen op basis van respectievelijk de spin van fotonen of elektronen wordt dankzij deze resultaten ook mogelijk gemaakt. Agarwal hoopt dit werk uit te breiden met andere optische bundelpatronen, zoals "gedraaid licht, " die kunnen worden gebruikt om nieuwe kwantumcomputermaterialen te maken waarmee meer informatie op een enkel foton van licht kan worden gecodeerd.

"Met kwantumcomputers, alle platforms zijn op licht gebaseerd, dus het is het foton dat de drager is van kwantuminformatie. Als we onze detectoren op een chip kunnen configureren, alles kan worden geïntegreerd, en we kunnen de toestand van het foton direct uitlezen, ' zegt Agarwal.

Agarwal en Mele benadrukken de "heldhaftige" inspanning van Ji, inclusief een extra jaar metingen gedaan tijdens het uitvoeren van een geheel nieuwe reeks experimenten die cruciaal waren voor de interpretatie van het onderzoek. "Ik heb zelden een afgestudeerde student voor die uitdaging gezien die niet alleen in staat was om het aan te gaan, maar ook om het onder de knie te krijgen. Ze had het initiatief om iets nieuws te doen, en ze heeft het voor elkaar gekregen, ' zegt Melle.