Het ontdekken van manieren om de topologische aspecten van kwantummaterialen te beheersen, is een belangrijke onderzoeksgrens omdat het kan leiden tot wenselijke elektrische en spintransporteigenschappen voor toekomstige apparaattechnologieën. Nu hebben MPSD-wetenschappers een baanbrekende lasergestuurde benadering ontdekt om een ​​topologische toestand in grafeen te genereren. Hun werk is zojuist gepubliceerd in Natuurfysica .

In topologische materialen, elektronen ervaren een verwrongen wereld. In plaats van gewoon rechtdoor te gaan als je een kracht voelt, ze kunnen zijwaarts worden geduwd. In een dergelijk materiaal vloeit de stroom eigenlijk orthogonaal op een aangelegde spanning.

Het basismodel dat het effect beschrijft, is eind jaren tachtig ontwikkeld door Duncan Haldane, maar zelfs de uitvinder was sceptisch dat het ooit in een echt materiaal zou kunnen worden geïmplementeerd. Hoe dan ook, uitgebreide chemische synthese maakte het uiteindelijk mogelijk om zeer vergelijkbare effecten waar te nemen, een technologische revolutie ontketenen - en uiteindelijk Haldane in 2016 de Nobelprijs voor de natuurkunde opleveren.

Topologisch transport wordt meestal geïnduceerd in materialen door sterke magnetische velden aan te leggen of door verbindingen te maken met een sterke spin-baankoppeling. Onderzoekers in de groep van Andrea Cavalleri aan de MPSD hebben nu aangetoond dat een coherente interactie met circulair gepolariseerd licht ook topologische elektrische stromen kan induceren in het materiaal grafeen.

De radicaal andere aanpak van het team bestaat uit het belichten van grafeen met een sterke, circulair gepolariseerde laserimpuls, waarvan het elektrische veld elektronen in lussen drijft. Als het materiaal verlicht is, het gedraagt ​​zich plotseling als een topologisch materiaal. Het keert terug naar zijn normale toestand zodra de puls weg is.

Hoewel dit mechanisme in simulaties was getest, het was volkomen onduidelijk of het zou werken in de meer gecompliceerde context van echte vaste stoffen - en of het mogelijk zou zijn om het te detecteren.

Om hun ontdekking te bewijzen, de natuurkundigen moesten stromen aantonen die in een richting loodrecht op een aangelegde spanning vloeien. Echter, er was een grote uitdaging:"Omdat het effect slechts ongeveer een miljoenste van een miljoenste van een seconde aanhoudt, we moesten een nieuw type elektronische schakeling ontwikkelen om dit te meten, ", zegt hoofdauteur James McIver.

Het resultaat was een ultrasnelle opto-elektronische apparaatarchitectuur op basis van fotogeleidende schakelaars. Het bevestigde het bestaan ​​van het effect. Vooruit gaan, de onderzoekers zijn van plan dit circuit te gebruiken om een ​​verscheidenheid aan dwingende problemen in kwantummaterialen te bestuderen, zoals door licht geïnduceerde supergeleiding en foton-geklede topologische randtoestanden.

"Dit werk laat zien dat licht in staat is topologische eigenschappen te ontwikkelen in topologisch triviale materialen, ", zegt co-auteur Gregor Jotzu. "Het ultrasnelle uiterlijk van dit effect biedt een groot potentieel voor de constructie van extreem snelle sensoren of computers."