Theoretische natuurkundigen van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy gebruikten computersimulaties om te laten zien hoe speciale lichtpulsen robuuste kanalen kunnen creëren waar elektriciteit zonder weerstand in een atomair dunne halfgeleider stroomt.

Als deze benadering wordt bevestigd door experimenten, het zou de deur kunnen openen naar een nieuwe manier om deze wenselijke eigenschap te creëren en te beheersen in een breder scala aan materialen dan tegenwoordig mogelijk is.

Het resultaat is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

In het afgelopen decennium is begrijpen hoe dit exotische type materiaal kan worden gemaakt - bekend als "topologisch beschermd" omdat de oppervlaktetoestanden ongevoelig zijn voor kleine vervormingen - is een populair onderzoeksonderwerp geweest in de materiaalwetenschap. De bekendste voorbeelden zijn topologische isolatoren, die elektriciteit geleiden zonder weerstand in afgesloten kanalen langs hun randen of oppervlakken, maar niet door hun interieur.

SLAC en Stanford University-onderzoekers hebben een voortrekkersrol gespeeld bij het ontdekken van dergelijke materialen en het onderzoeken van hun eigenschappen, die toekomstige toepassingen kunnen hebben in micro-elektronische schakelingen en apparaten. De Nobelprijs voor de Natuurkunde werd dit jaar toegekend aan drie wetenschappers die voor het eerst de mogelijkheid van topologisch beschermde materiaaleigenschappen suggereerden.

Eerdere theoretische studies hadden gekeken naar hoe licht topologisch beschermde verschijnselen in grafeen zou kunnen veroorzaken, een vel pure koolstof van slechts één atoom dik. Helaas, er zou een onpraktisch hoge lichtenergie en -intensiteit nodig zijn om dat effect in grafeen te veroorzaken. In dit onderzoek, SLAC-onderzoekers richtten zich op wolfraamdisulfide en verwante verbindingen, die vellen vormen die slechts één molecuul dik zijn en intrinsiek halfgeleidend zijn.

De onderzoekers simuleerden experimenten waarbij pulsen van circulair gepolariseerd licht, in het rode tot nabij-infrarode golflengtebereik, een enkele laag wolfraamdisulfide raken. De resultaten toonden aan dat gedurende de tijd dat het materiaal werd verlicht, zijn elektronen organiseerden zichzelf op een manier die fundamenteel verschilt van grafeen, nieuwe paden creëren met absoluut geen elektrische weerstand langs de randen van het monster.

Om rekening te houden met de fluctuerende interacties tussen lichtgolven en elektronen, de onderzoekers gebruikten een periodiek in de tijd variërend referentiekader dat wortels had die teruggingen tot de jaren 1880 en de Franse wiskundige Gaston Floquet. De aanpak toonde duidelijk aan dat licht met een lagere energie, waarop het materiaal transparant lijkt, zou topologisch beschermde, randpaden zonder weerstand in de monolaag van wolfraamdisulfide.

Bovendien, de simulatie toonde aan dat ongewenste verwarming van het materiaal die de paden zou verstoren, kon worden vermeden door de lichtenergie af te stemmen op iets minder dan de meest efficiënte "resonante" energie.

"We zijn de eersten die materiaalmodellen op basis van de eerste beginselen verbinden met door licht geïnduceerde topologisch beschermde toestanden, terwijl we overtollige materiaalverwarming verminderen, zei Martin Claassen, een Stanford-afgestudeerde student die bij SLAC werkt en hoofdauteur van de technische paper.

De onderzoekers zijn in gesprek met andere onderzoeksgroepen die kunnen leiden tot experimenten die hun theoretische voorspellingen testen in echte materialen.