Topologische isolatoren zijn een van de meest raadselachtige kwantummaterialen - een klasse van materialen waarvan de elektronen op verrassende manieren samenwerken om onverwachte eigenschappen te produceren. De randen van een TI zijn elektronensnelwegen waar elektronen zonder verlies stromen, het negeren van onzuiverheden of andere obstakels op hun pad, terwijl het grootste deel van het materiaal de elektronenstroom blokkeert.

Wetenschappers hebben deze raadselachtige materialen bestudeerd sinds hun ontdekking iets meer dan tien jaar geleden met het oog op het gebruik ervan voor zaken als kwantumcomputers en informatieverwerking.

Nu hebben onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University een nieuwe, hands-off manier om de snelste en meest kortstondige fenomenen binnen een TI te onderzoeken en duidelijk te onderscheiden wat zijn elektronen aan de randen van de snelweg doen van wat ze overal elders doen.

De techniek maakt gebruik van een fenomeen dat hoge harmonische generatie wordt genoemd, of HHG, die laserlicht verschuift naar hogere energieën en hogere frequenties - net zoals het indrukken van een gitaarsnaar een hogere toon produceert - door het door een materiaal te schijnen. Door de polarisatie van laserlicht dat in een TI gaat te variëren en het verschoven licht dat eruit komt te analyseren, onderzoekers kregen sterke en afzonderlijke signalen die hen vertelden wat er gebeurde in elk van de twee contrasterende domeinen van het materiaal.

"Wat we ontdekten, is dat het licht dat naar buiten komt ons informatie geeft over de eigenschappen van de snelwegoppervlakken, " zei Shambhu Ghimire, een hoofdonderzoeker bij het Stanford PULSE Institute bij SLAC, waar de werkzaamheden zijn uitgevoerd. "Dit signaal is vrij opmerkelijk, en zijn afhankelijkheid van de polarisatie van het laserlicht is dramatisch verschillend van wat we zien in conventionele materialen. We denken dat we een potentieel nieuwe benadering hebben voor het initiëren en onderzoeken van kwantumgedragingen die aanwezig zouden moeten zijn in een breed scala aan kwantummaterialen."

Het onderzoeksteam rapporteerde de resultaten in Fysieke beoordeling A vandaag.

Licht erin, licht uit

Vanaf 2010 een reeks experimenten onder leiding van Ghimire en PULSE-directeur David Reis toonde aan dat HHG kan worden geproduceerd op manieren die voorheen onwaarschijnlijk of zelfs onmogelijk werden geacht:door laserlicht in een kristal te stralen, een bevroren argongas of een atomair dun halfgeleidermateriaal. Een andere studie beschreef hoe HHG te gebruiken om attoseconde laserpulsen te genereren, die kan worden gebruikt om de bewegingen van elektronen te observeren en te controleren, door een laser door gewoon glas te laten schijnen.

in 2018, Denitsa Baykusheva, een Swiss National Science Foundation Fellow met een achtergrond in HHG-onderzoek, trad toe tot de PULSE-groep als postdoctoraal onderzoeker. Haar doel was om het potentieel voor het genereren van HHG in topologische isolatoren te bestuderen - de eerste dergelijke studie in een kwantummateriaal. "We wilden zien wat er gebeurt met de intense laserpuls die wordt gebruikt om HHG te genereren, "zei ze. "Niemand had eerder zo'n sterk laserlicht op deze materialen gericht."

Maar halverwege die experimenten, de COVID-19-pandemie sloeg toe en het laboratorium werd in maart 2020 gesloten voor alles behalve essentieel onderzoek. Dus het team moest andere manieren bedenken om vooruitgang te boeken, zei Baykusheva.

"In een nieuw onderzoeksgebied als dit, theorie en experiment moeten hand in hand gaan, " legde ze uit. "Theorie is essentieel voor het verklaren van experimentele resultaten en ook voor het voorspellen van de meest veelbelovende wegen voor toekomstige experimenten. Dus veranderden we onszelf allemaal in theoretici' - eerst met pen en papier werken en vervolgens code schrijven en berekeningen uitvoeren om in computermodellen te worden ingevoerd.

Een verhelderend resultaat

Tot hun verbazing, de resultaten voorspelden dat circulair gepolariseerd laserlicht, waarvan de golven als een kurkentrekker om de balk draaien, zou kunnen worden gebruikt om HHG in topologische isolatoren te activeren.

"Een van de interessante dingen die we hebben waargenomen, is dat circulair gepolariseerd laserlicht zeer efficiënt is in het genereren van harmonischen van de supersnelwegoppervlakken van de topologische isolator, maar niet van de rest, " zei Baykusheva. "Dit is iets heel unieks en specifieks voor dit soort materiaal. Het kan worden gebruikt om informatie te krijgen over elektronen die over de supersnelwegen reizen en over elektronen die dat niet doen. en het kan ook worden gebruikt om andere soorten materialen te onderzoeken die niet kunnen worden onderzocht met lineair gepolariseerd licht."

De resultaten vormen een recept voor het blijven onderzoeken van HHG in kwantummaterialen, zei Reis, wie is co-auteur van de studie.

"Het is opmerkelijk dat een techniek die sterke en potentieel verstorende velden genereert, die elektronen in het materiaal opneemt en ze verdringt en gebruikt om de eigenschappen van het materiaal zelf te onderzoeken, kan u zo'n duidelijk en robuust signaal geven over de topologische toestanden van het materiaal, " hij zei.

"Het feit dat we alles kunnen zien is verbazingwekkend, om nog maar te zwijgen van het feit dat we datzelfde licht mogelijk zouden kunnen gebruiken om de topologische eigenschappen van het materiaal te veranderen."

Experimenten bij SLAC zijn op beperkte basis hervat, Reis heeft toegevoegd, en de resultaten van het theoretische werk hebben het team het nieuwe vertrouwen gegeven dat ze precies weten wat ze zoeken.