Pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory e da Stanford University descobriram que o foco intenso, luz laser polarizada circularmente em um isolador topológico gera harmônicos que podem ser usados para sondar o comportamento do elétron na superfície topológica do material, uma espécie de superestrada de elétrons onde os elétrons fluem sem perda. A técnica deve ser aplicável a uma ampla gama de materiais quânticos. Crédito:Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
Isoladores topológicos são um dos materiais quânticos mais intrigantes - uma classe de materiais cujos elétrons cooperam de maneiras surpreendentes para produzir propriedades inesperadas. As bordas de um TI são autoestradas eletrônicas onde os elétrons fluem sem perda, ignorando quaisquer impurezas ou outros obstáculos em seu caminho, enquanto a maior parte do material bloqueia o fluxo de elétrons.
Os cientistas estudaram esses materiais intrigantes desde sua descoberta, há pouco mais de uma década, com o objetivo de aproveitá-los para coisas como computação quântica e processamento de informações.
Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford inventaram um novo, Uma maneira automática de investigar os fenômenos mais rápidos e efêmeros em um TI e distinguir claramente o que seus elétrons estão fazendo nas bordas da superestrada do que estão fazendo em todos os outros lugares.
A técnica tira proveito de um fenômeno chamado geração de alta harmônica, ou HHG, que muda a luz do laser para energias mais altas e frequências mais altas - assim como pressionar uma corda de violão produz uma nota mais alta - iluminando-a através de um material. Variando a polarização da luz laser que entra em um TI e analisando a luz deslocada que sai, os pesquisadores obtiveram sinais fortes e separados que lhes disseram o que estava acontecendo em cada um dos dois domínios contrastantes do material.
"O que descobrimos é que a luz que sai nos dá informações sobre as propriedades das superfícies das superestradas, "disse Shambhu Ghimire, um investigador principal do Stanford PULSE Institute at SLAC, onde o trabalho foi realizado. "Este sinal é bastante notável, e sua dependência da polarização da luz laser é dramaticamente diferente do que vemos em materiais convencionais. Achamos que temos uma abordagem potencialmente nova para iniciar e sondar comportamentos quânticos que supostamente estão presentes em uma ampla gama de materiais quânticos. "
A equipe de pesquisa relatou os resultados em Revisão Física A hoje.
Luz dentro, luz apagada
A partir de 2010, uma série de experimentos liderados por Ghimire e PULSE Diretor David Reis mostrou que o HHG pode ser produzido de maneiras que antes eram consideradas improváveis ou mesmo impossíveis:irradiando luz laser em um cristal, um gás argônio congelado ou um material semicondutor atomicamente fino. Outro estudo descreveu como usar HHG para gerar pulsos de laser de attossegundos, que pode ser usado para observar e controlar os movimentos dos elétrons, brilhando um laser através de um vidro comum.
Em 2018, Denitsa Baykusheva, um membro da Swiss National Science Foundation com experiência em pesquisa de HHG, ingressou no grupo PULSE como pesquisador de pós-doutorado. Seu objetivo era estudar o potencial de geração de HHG em isoladores topológicos - o primeiro estudo desse tipo em um material quântico. "Queríamos ver o que acontece com o pulso de laser intenso usado para gerar HHG, "ela disse." Ninguém tinha realmente focado uma luz laser tão forte nesses materiais antes. "
A luz laser é geralmente polarizada linearmente, o que significa que suas ondas oscilam em apenas uma direção - para cima e para baixo, no exemplo à esquerda. Mas também pode ser circularmente polarizado, à direita, então suas ondas espiralam como um saca-rolhas em torno da direção em que a luz está viajando. Um novo estudo do SLAC National Accelerator Laboratory e da Stanford University prevê que esta luz circularmente polarizada pode ser usada para explorar materiais quânticos de maneiras que não eram possíveis antes. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Mas no meio desses experimentos, a pandemia COVID-19 atingiu e o laboratório foi fechado em março de 2020 para todas as pesquisas, exceto essenciais. Portanto, a equipe teve que pensar em outras maneiras de fazer progresso, Baykusheva disse.
"Em uma nova área de pesquisa como esta, teoria e experimento devem andar de mãos dadas, "ela explicou." A teoria é essencial para explicar os resultados experimentais e também prever os caminhos mais promissores para experimentos futuros. Então, todos nós nos transformamos em teóricos "- primeiro trabalhando com caneta e papel e depois escrevendo código e fazendo cálculos para alimentar modelos de computador.
Um resultado esclarecedor
Para sua surpresa, os resultados previram que a luz laser polarizada circularmente, cujas ondas espiralam em torno do feixe como um saca-rolhas, poderia ser usado para acionar HHG em isoladores topológicos.
"Uma das coisas interessantes que observamos é que a luz laser circularmente polarizada é muito eficiente na geração de harmônicos a partir das superfícies da superestrada do isolador topológico, mas não do resto, "Baykusheva disse." Isso é algo muito único e específico para este tipo de material. Ele pode ser usado para obter informações sobre os elétrons que viajam pelas autoestradas e aqueles que não viajam, e também pode ser usado para explorar outros tipos de materiais que não podem ser sondados com luz polarizada linearmente. "
Os resultados apresentam uma receita para continuar a explorar HHG em materiais quânticos, disse Reis, que é co-autor do estudo.
"É notável que uma técnica que gera campos fortes e potencialmente perturbadores, que pega elétrons no material e os empurra e os usa para sondar as propriedades do próprio material, pode lhe dar um sinal claro e robusto sobre os estados topológicos do material, " ele disse.
"O fato de podermos ver tudo é incrível, sem mencionar o fato de que poderíamos potencialmente usar essa mesma luz para alterar as propriedades topológicas do material. "
As experiências no SLAC foram retomadas de forma limitada, Reis acrescentou, e os resultados do trabalho teórico deram à equipe uma nova confiança de que sabem exatamente o que procuram.
