Los experimentos confirman la respuesta única de los materiales cuánticos a la luz láser polarizada circularmente.

Un láser suele estar polarizado linealmente, lo que significa que sus ondas de luz solo oscilan en una dirección: arriba y abajo en el ejemplo de la izquierda. Pero también puede polarizarse circularmente, a la derecha, de modo que sus ondas giren como un sacacorchos en la dirección de propagación de la luz. Un nuevo estudio de SLAC y la Universidad de Stanford predice que la luz polarizada circularmente podría explorar materiales cuánticos de formas antes imposibles. Fuente: Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.

Cuando la pandemia de COVID-19 cerró los experimentos en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía a principios del año pasado, el equipo de investigación de Shambhu Ghimire se vio obligado a encontrar otra forma de estudiar un objetivo de investigación intrigante: un material cuántico llamado Los aisladores topológicos (TI) pueden conducir electricidad en sus superficies pero no a través de sus interiores.

Hace dos años, Denitsa Baykusheva, investigadora de la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza, se unió a su equipo en el Stanford Pulse Institute con el objetivo de encontrar una manera de generar armónicos de alto orden, o HHG, en estos materiales como herramienta para estudiar su comportamiento. En HHG, el láser brilla a través de la materia y se convierte en energía y frecuencias más altas, que se llaman armónicos, al igual que presionar una cuerda de guitarra produce un tono más alto. Los TI son la piedra angular de la espintrónica, la detección cuántica y la computación cuántica. Si esto se puede hacer, proporcionaría a los científicos nuevas herramientas para estudiar estos y otros materiales cuánticos.

Con los experimentos detenidos, ella y sus colegas recurrieron a la teoría y las simulaciones por computadora y propusieron una nueva fórmula para generar HHG en aisladores topológicos. Los resultados muestran que la luz polarizada circularmente girada en la dirección del rayo láser producirá una señal clara y única desde la superficie conductora y dentro del TI (seleniuro de bismuto), que en realidad mejora la señal de la superficie.

Así es como un láser polarizado circularmente (arriba) puede detectar un aislante topológico (negro), un material cuántico que conduce electricidad en su superficie pero no a través de ella. La luz pasa por un proceso llamado generación armónica, que hace que los electrones del material se desplacen, se recombinen y emitan luz con mayor energía y frecuencia (luz blanca). Al analizar la luz emitida, los científicos pueden medir el giro y el impulso de los electrones en el material. Los experimentos de SLAC confirmaron que estas señales son las únicas características de las superficies topológicas. Fuente: Greg Stewart/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.

Cuando el laboratorio reabrió sus puertas para realizar experimentos y se tomaron las precauciones de seguridad contra el COVID-19, Baykusheva comenzó a probar la fórmula por primera vez. En un artículo publicado hoy en Nano Letters, el equipo informa que las pruebas funcionaron como se esperaba y produjeron la primera firma única de una superficie topológica.

“Este material se ve muy diferente de cualquier otro material que hayamos probado”, dijo Ghimire, investigador principal de PULSE. "Es realmente emocionante descubrir un nuevo material que tiene una respuesta óptica diferente de cualquier otro material".

Durante la última década, Ghimire y el director de PULSE, David Reis, llevaron a cabo una serie de experimentos y demostraron que El HHG se puede producir de una manera que antes se consideraba imposible o incluso imposible: inyectando luz láser en un cristal, congelando gas argón o un material semiconductor con átomos delgados. Otro estudio describe cómo se puede utilizar HHG para generar pulsos láser de attosegundos, que se pueden utilizar para observar y controlar el movimiento de los electrones al hacer brillar el láser a través de un vidrio ordinario.

Este patrón de flechas refleja la combinación de espín y momento de los electrones en la superficie de un aislante topológico. Un aislante topológico es un material cuántico que conduce corriente eléctrica por su superficie en lugar de por su interior. Los experimentos en SLAC muestran que el acoplamiento de luz láser polarizada circularmente a esta polarización de espín crea un patrón único de generación de armónicos de alto orden que es característico de las superficies topológicas. Fuente: Denitsa Baykusheva/Stanford Pulse Institute.

Sin embargo, los materiales cuánticos se resisten firmemente a ser analizados de esta manera, y las propiedades de división de los aisladores topológicos plantean un problema especial.

"Cuando apuntamos un láser a TI, se generan armónicos tanto en la superficie como en el interior. El desafío es cómo separarlos".

Explicó que el descubrimiento clave del equipo fue Es decir, la luz polarizada circularmente interactúa con la superficie y el interior de formas completamente diferentes, lo que promueve la generación de armónicos más altos desde la superficie y le confiere características únicas. Estas interacciones, a su vez, están formadas por dos diferencias fundamentales entre la superficie y el interior: el grado de polarización del espín del electrón (por ejemplo, en sentido horario o antihorario) y el tipo de simetría de la red atómica.

Diagrama esquemático del equipo experimental de laboratorio láser de alta potencia SLAC. Los científicos utilizaron luz láser polarizada circularmente para sondear aislantes topológicos, un tipo de material cuántico que conduce electricidad en su superficie pero no a través de su interior. Un proceso llamado generación de armónicos convierte la luz láser en energías y frecuencias más altas, o armónicos. Esto crea patrones de polarización (flechas) en el detector que revelan el giro y el momento de los electrones en la superficie conductora, una característica única de las superficies topológicas. Fuente: Shambhu Ghimire/Stanford Pulse Institute.

Desde que el grupo publicó la fórmula para lograr niveles altos de hidrógeno y mercurio en TI a principios de este año, otros dos grupos de investigación en Alemania y China han informado niveles altos de hidrógeno y mercurio en aisladores topológicos, dijo Ghimire. creación. Pero ambos experimentos se realizaron con luz polarizada linealmente, por lo que no vieron la señal mejorada producida por la luz polarizada circularmente. Esta señal es una firma única de los estados topológicos de la superficie, dijo.

Debido a que una luz láser potente puede convertir los electrones del material en una sopa (un plasma), el equipo de investigación tuvo que encontrar una manera de cambiar la longitud de onda de su láser de zafiro de titanio de alta potencia para extenderla 10 veces. , reduciendo así 10 veces la energía. También utilizaron pulsos láser muy cortos para reducir el daño a la muestra, lo que tuvo el beneficio adicional de permitirles capturar el comportamiento del material a velocidades de obturación equivalentes a millonésimas de segundo y milmillonésimas de segundo.

"La ventaja de utilizar HHG es que es un detector ultrarrápido", afirmó Ghimire. "Ahora que hemos identificado esta nueva forma de detectar estados topológicos de superficies, podemos utilizarla para estudiar otros materiales interesantes, incluidos estados topológicos inducidos por láseres potentes o métodos químicos".

De investigadores de la Universidad de Stanford El Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES), la Universidad de Michigan, Ann Arbor y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang contribuyeron al trabajo.