Topologische isolatoren, of TI's, hebben twee gezichten:elektronen stromen vrij langs hun oppervlakteranden, zoals auto's op een snelweg, maar kunnen helemaal niet door het binnenste van het materiaal stromen. Er is een speciale reeks voorwaarden nodig om deze unieke kwantumtoestand te creëren - deels elektrische geleider, deels isolator - die onderzoekers ooit hopen te benutten voor zaken als spintronica, kwantumcomputing en kwantumdetectie. Voor nu proberen ze gewoon te begrijpen wat TI's drijft.

In de laatste stap in die richting hebben onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University systematisch de "faseovergang" onderzocht waarin een TI zijn kwantumeigenschappen verliest en gewoon een andere gewone isolator wordt.

Ze deden dit door spiraalvormige laserstralen te gebruiken om harmonischen te genereren - vergelijkbaar met de trillingen van een getokkelde gitaarsnaar - uit het materiaal dat ze aan het onderzoeken waren. Die harmonischen maken het gemakkelijk om te onderscheiden wat er in de snelweglaag gebeurt van wat er in het binnenland gebeurt en om te zien hoe de ene toestand plaatsmaakt voor de andere, meldden ze in Nature Photonics vandaag.

"De harmonischen die door het materiaal worden gegenereerd, versterken de effecten die we willen meten, waardoor dit een zeer gevoelige manier is om te zien wat er in een TI aan de hand is", zegt Christian Heide, een postdoctoraal onderzoeker bij het Stanford PULSE Institute bij SLAC, die de experimenten leidde. .

"En aangezien deze op licht gebaseerde aanpak kan worden uitgevoerd in een laboratorium met tafelapparatuur, maakt het het verkennen van deze materialen gemakkelijker en toegankelijker dan sommige eerdere methoden."

Deze resultaten zijn opwindend, voegde PULSE-hoofdonderzoeker Shambhu Ghimire eraan toe, omdat ze aantonen dat de nieuwe methode potentieel heeft om te zien hoe TI's heen en weer schakelen tussen snelweg en isolerende toestanden terwijl het gebeurt en in fijn detail - net als een gebruikende camera met een zeer snelle sluiter snelheid.

Een lange harmonische reis

Dit was de laatste in een reeks onderzoeken onder leiding van Ghimire en PULSE-directeur David Reis naar de opwekking van hoge harmonischen, of HHG, een fenomeen dat laserlicht verschuift naar hogere energieën en frequenties door het door een materiaal te schijnen. De frequenties worden in duidelijke stappen verschoven, zoals noten die worden gemaakt door op een gitaarsnaar te drukken.

In de afgelopen twaalf jaar is hun onderzoeksteam erin geslaagd om dit te doen in een aantal materialen waarvan werd gedacht dat ze onwaarschijnlijk of zelfs onmogelijke kandidaten waren voor HHG, waaronder een kristal, bevroren argongas en een atomair dun halfgeleidermateriaal. Ze waren zelfs in staat om laserpulsen van attoseconden te produceren - die slechts een miljardste van een miljardste van een seconde lang zijn en kunnen worden gebruikt om de bewegingen van elektronen te observeren en te regelen - door een laser door gewoon glas te laten schijnen.

Vier jaar geleden trad postdoctoraal onderzoeker Denitsa Baykusheva toe tot de PULSE-groep met als doel te kijken of het mogelijk was om HHG te genereren in topologische isolatoren - een prestatie die nog nooit in een kwantummateriaal was bereikt. Na een aantal jaren werk ontdekte het team dat het inderdaad mogelijk was, maar alleen als het laserlicht circulair gepolariseerd was.

En dit spiraalvormige laserlicht had een bonus:door de polarisatie ervan te variëren, waren ze in staat om sterke, afzonderlijke signalen te krijgen van het supersnelwegoppervlak van de TI en het wegversperde interieur. Hierdoor konden ze gemakkelijk onderscheiden wat er in die twee contrasterende delen van het materiaal gebeurde.

In de huidige studie wilden ze aantonen wat de nieuwe methode zou kunnen doen door de samenstelling van hun TI-materiaal, bismutselenide, en de eigenschappen van de ultrakorte pulsen van laserlicht waarmee ze het raken te variëren om te zien hoe elke combinatie de harmonischen beïnvloedde. het gegenereerde materiaal.

Spiralen ontmoeten onzuiverheden

Eerst namen ze hun monsters mee naar SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) voor onderzoek met een röntgentechniek die hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie of ARPES wordt genoemd. Dit stelde hen in staat om de algemene buurt waar de overgang plaatsvindt te verfijnen.

Toen, terug in het lab, zoomden ze in om meer details te zien.

Ze maakten een reeks monsters van bismutselenide - sommige zuiver en andere bevatten verschillende niveaus van een chemische onzuiverheid waarvan bekend is dat deze het elektronengedrag beïnvloedt. Sommige monsters waren topologische isolatoren en andere waren gewone isolatoren.

Daarna raakten ze de monsters met laserpulsen van verschillende energieën en graden en richtingen van polarisatie.

Ze ontdekten dat circulair gepolariseerde pulsen, vooral degene die met de klok mee spiraalden, veel efficiënter waren in het produceren van hoge harmonischen van snelwegoppervlakken dan van isolerende delen van het materiaal. "Het verschil tussen de twee was enorm", zei Heide, zodat het team de twee staten gemakkelijk van elkaar kon onderscheiden.

Terwijl pure monsters klassieke TI's waren, begon het materiaal zijn topologische eigenschappen te verliezen bij een onzuiverheidsniveau van ongeveer 4% en verloor het in totaal met 20%. Op dat moment was het materiaal een gewone isolator.

De ultrakorte laserpulsen die in dit onderzoek zijn gebruikt - ongeveer 100 femtoseconden, of miljoenste van een miljardste van een seconde, lang - gaan dwars door het monster zonder het te beschadigen, en kunnen worden afgestemd om elke plek erin te onderzoeken, zegt Heide:"dat is een heel groot voordeel."

En net als een camera met een supersnelle sluitertijd, zou deze relatief kleine en betaalbare laseropstelling in staat moeten zijn om de kenmerken van de topologische overgang, evenals andere elektronische eigenschappen en processen, in veel fijner detail waar te nemen en terwijl ze in het echt veranderen tijd, zei Ghimire.

"Dat is een mogelijkheid die deze volledig optische methode interessant maakt en het een breed scala aan potentiële toepassingen geeft," zei hij, "en het is iets dat we van plan zijn in toekomstige experimenten te onderzoeken." + Verder verkennen

Experimenten bevestigen de unieke reactie van een kwantummateriaal op circulair gepolariseerd laserlicht