Ученые изучали эти загадочные материалы с момента их открытия чуть более десяти лет назад, чтобы использовать их для таких вещей, как квантовые вычисления и обработка информации.
Теперь исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета изобрели новый, невмешательский способ исследовать самые быстрые и эфемерные явления в ТИ и четко отличать то, что его электроны делают на краях супермагистрали, от того, что они ” повторюсь везде.
В этой технике используется явление, называемое генерацией высоких гармоник, или HHG, которое смещает лазерный свет в сторону более высоких энергий и более высоких частот – так же, как нажатие на гитарную струну дает более высокую ноту – путем ее прохождения сквозь материал. Изменяя поляризацию лазерного света, входящего в ТИ, и анализируя выходящий смещенный свет, исследователи получали сильные и отдельные сигналы, которые рассказывали им, что происходит в каждой из двух контрастирующих областей материала.
«Мы выяснили, что излучаемый свет дает нам информацию о свойствах поверхностей супермагистралей», – сказал Шамбху Гимире, главный исследователь Стэнфордского института PULSE в SLAC, где проводилась работа. «Этот сигнал весьма примечателен, и его зависимость от поляризации лазерного света резко отличается от того, что мы видим в обычных материалах.
Мы думаем, что у нас есть потенциально новый подход к инициированию и исследованию квантового поведения, которое должно присутствовать в широком диапазоне квантовых материалов."
Исследовательская группа сообщила результаты в Physical Review A сегодня.
Свет, свет
Начиная с 2010 года серия экспериментов под руководством Гимира и директора PULSE Дэвида Рейса показала, что HHG можно производить способами, которые ранее считались маловероятными или даже невозможными: излучением лазерного света в кристалл, замороженный газ аргон или атомарно тонкий полупроводниковый материал. В другом исследовании описывалось, как использовать HHG для генерации аттосекундных лазерных импульсов, которые можно использовать для наблюдения и управления движением электронов, светя лазером через обычное стекло.
В 2018 году Деница Байкушева, научный сотрудник Швейцарского национального научного фонда с опытом работы в области HHG, присоединилась к группе PULSE в качестве постдокторского исследователя. Ее целью было изучение возможности генерации ГВГ в топологических изоляторах – первое подобное исследование в квантовом материале. «Мы хотели посмотреть, что происходит с интенсивным лазерным импульсом, используемым для генерации HHG», – сказала она. "Никто раньше не фокусировал на эти материалы такой мощный лазерный луч."
Но в середине этих экспериментов разразилась пандемия COVID-19, и в марте 2020 года лаборатория закрылась для всех, кроме важных исследований. Поэтому команде пришлось подумать о других способах достижения прогресса, сказала Байкушева.
«В новой области исследований, подобных этой, теория и эксперимент должны идти рука об руку», – пояснила она. "Теория необходима для объяснения экспериментальных результатов, а также для предсказания наиболее многообещающих направлений будущих экспериментов. Таким образом, мы все превратились в теоретиков "- сначала работая ручкой и бумагой, а затем писали код и выполняли вычисления, которые вводились в компьютерные модели.
Яркий результат
К их удивлению, результаты предсказали, что лазерный свет с круговой поляризацией, волны которого вращаются вокруг луча, как штопор, может быть использован для запуска HHG в топологических изоляторах.
«Одна из интересных вещей, которые мы наблюдали, заключается в том, что лазерный свет с круговой поляризацией очень эффективен для генерации гармоник от поверхностей супермагистрали топологического изолятора, но не от остальной его части», – сказала Байкушева. "Это что-то очень уникальное и специфическое для этого типа материала. Его можно использовать для получения информации об электронах, которые перемещаются по супермагистралям, и об электронах, которые этого не делают, а также его можно использовать для исследования других типов материалов, которые нельзя исследовать с помощью линейно поляризованного света."
По словам Рейса, соавтора исследования, результаты представляют собой рецепт для продолжения исследования ГВГ в квантовых материалах.
«Замечательно, что метод, который генерирует сильные и потенциально разрушительные поля, который захватывает электроны в материале, толкает их и использует их для исследования свойств самого материала, может дать вам такой четкий и надежный сигнал о топологическом состоянии материала. ," он сказал.
"Тот факт, что мы вообще что-то можем видеть, удивителен, не говоря уже о том, что мы потенциально можем использовать тот же самый свет, чтобы изменить топологические свойства материала."
Рейс добавил, что эксперименты в SLAC возобновились на ограниченной основе, и результаты теоретической работы вселили в команду новую уверенность в том, что они точно знают, что ищут.
Исследователи из исследовательской инициативы Max Planck POSTECH / KOREA также внесли свой вклад в этот отчет.
Основное финансирование исследования поступило от Управления науки Министерства энергетики США и Швейцарского национального научного фонда.