Het is bewezen dat ultrakorte lichtpulsen niet te onderscheiden zijn van continue verlichting, in termen van het regelen van de elektronische toestanden van atomair dun materiaal wolfraamdisulfide (WS2).

Een nieuwe door Swinburne geleide studie bewijst dat ultrakorte lichtpulsen kunnen worden gebruikt om overgangen naar nieuwe fasen van materie te stimuleren, helpen bij het zoeken naar toekomstige Floquet-gebaseerde, energiezuinige elektronica.

Er is aanzienlijke interesse in het tijdelijk regelen van de bandstructuur van een monolaagse halfgeleider door ultrakorte lichtpulsen te gebruiken om exotische nieuwe fasen van materie te creëren en te controleren.

De resulterende tijdelijke toestanden, bekend als Floquet-Bloch-toestanden, zijn interessant vanuit een puur onderzoeksstandpunt en ook voor een voorgestelde nieuwe klasse van transistoren op basis van Floquet-topologische isolatoren (FTI's).

Bij een belangrijke bevinding de ultrakorte lichtpulsen die nodig zijn voor het detecteren van de vorming van Floquet-toestanden bleken even effectief in het activeren van de toestand als continue verlichting, een belangrijke vraag die tot nu, grotendeels genegeerd was.

Een continue golf of ultrakorte pulsen:het probleem met tijd

Floquet-fysica, die is gebruikt om te voorspellen hoe een isolator kan worden omgezet in een FTI, is gebaseerd op een zuiver sinusoïdaal veld, d.w.z. continu, monochromatische (enkele golflengte) verlichting die geen begin of einde heeft.

Om deze faseovergang te observeren, echter, alleen ultrakorte pulsen bieden voldoende piekintensiteiten om een ​​detecteerbaar effect te produceren. En daar zit de kneep.

Door zelfs de zuiverste lichtbron aan of uit te zetten, wordt een breed scala aan extra frequenties toegevoegd aan het lichtspectrum; hoe abrupter het schakelen, hoe meer breedband het spectrum. Als resultaat, ultrakorte pulsen zoals die hier worden gebruikt, voldoen niet aan de aannames waarop de Floquet-fysica is gebaseerd.

"Ultrakorte pulsen zijn ongeveer zo ver als je kunt krijgen van een monochromatische golf, " zegt Dr. Stuart Earl van de Swinburne University of Technology (Australië).

"Echter, we hebben nu aangetoond dat zelfs met pulsen korter dan 15 optische cycli (34 femtoseconden, of 34 miljoenste van een miljardste van een seconde), dat maakt gewoon niet uit."

Pomp-sonde spectroscopie van atomaire monolaag lokt een onmiddellijke reactie uit

Dr. Graaf, met medewerkers van de Australian National University en het ARC Centre for Future Low-Energy Electronic Technologies (FLEET), onderworpen aan een atomaire monolaag van wolfraamdisulfide (WS ₂ ) om pulsen van verschillende lengte maar met dezelfde totale energie aan te steken, het veranderen van de piekintensiteit op een gecontroleerde manier.

WS ₂ is een overgangsmetaal dichalcogenide (TMD), een familie van materialen onderzocht voor gebruik in toekomstige 'buiten CMOS'-elektronica.

Het team gebruikte pomp-sonde-spectroscopie om een ​​tijdelijke verschuiving in de energie van het A-exciton van WS waar te nemen ₂ vanwege het optische Stark-effect (de eenvoudigste realisatie van Floquet-fysica). Dankzij hun gebruik van een sub-bandgap pomppuls, het signaal dat ze hebben gemeten, die slechts zo lang aanhield als de puls zelf, was te wijten aan interacties tussen evenwicht en foton-geklede virtuele toestanden in het monster.

"Het klinkt misschien vreemd dat we virtuele toestanden kunnen gebruiken om een ​​echte overgang te manipuleren", zegt Dr. Earl. "Maar omdat we een pomppuls met een sub-bandgap gebruikten, geen echte staten werden bevolkt."

"De WS ₂ onmiddellijk gereageerd, maar belangrijker, de respons ervan was lineair afhankelijk van de momentane intensiteit van de puls, net alsof we oneindig langzaam een ​​monochromatisch veld aanzetten, dat is, adiabatisch", legt professor Jeff Davis uit, ook aan de Swinburne University of Technology. "Dit was een opwindende bevinding voor ons team. Ondanks dat de pulsen extreem kort waren, de toestanden van het systeem bleef coherent."

Een adiabatische verstoring is een verstoring die extreem langzaam wordt geïntroduceerd, zodat de toestanden van het systeem de tijd hebben om zich aan te passen, een cruciale vereiste voor FTI's. Hoewel ultrakorte pulsen niet compatibel zouden moeten zijn met deze vereiste, dit resultaat levert duidelijk bewijs dat voor deze atomaire monolagen, zij doen. Dit stelt het team nu in staat om elk bewijs van niet-adiabatisch gedrag toe te schrijven aan het monster, in plaats van op hun experiment.

Deze bevindingen stellen het FLEET-team nu in staat om Floquet-Bloch-toestanden in deze materialen te onderzoeken met een puls boven de bandgap, die, theoretisch, zou het materiaal in de exotische fase moeten drijven die bekend staat als een Floquet-topologische isolator. Inzicht in dit proces zou onderzoekers moeten helpen deze materialen op te nemen in een nieuwe generatie energiezuinige, hoge bandbreedte, en mogelijk ultrasnel, transistoren.

Systemen die dissipatieloos transport vertonen wanneer ze uit evenwicht worden gedreven, worden bestudeerd binnen FLEET's onderzoeksthema 3, op zoek naar nieuwe, ultra-lage energie-elektronica om de stijgende, niet-duurzame energie die wordt verbruikt door berekeningen (al 8% van de wereldwijde elektriciteit, en verdubbelt elk decennium).