Os processos não lineares permitem que os pesquisadores controlem e manipulem a luz por meio de interações com a matéria. Aqui, a geração de frequência de soma mistura duas cores de luz em um cristal para produzir um novo, terceira cor. Neste novo estudo, O FLEET usa espectroscopia não linear para controlar a estrutura de banda eletrônica de uma única camada atômica. Crédito:FLEET
Pulsos ultracurtos de luz são comprovadamente indistinguíveis da iluminação contínua, em termos de controle dos estados eletrônicos de dissulfeto de tungstênio atomicamente fino (WS2).
Um novo estudo liderado por Swinburne prova que pulsos ultracurtos de luz podem ser usados para conduzir transições para novas fases da matéria, auxiliando na busca por um futuro baseado em Floquet, eletrônica de baixa energia.
Há um interesse significativo em controlar transitoriamente a estrutura de banda de um semicondutor de monocamada usando pulsos ultracurtos de luz para criar e controlar novas fases exóticas da matéria.
Os estados temporários resultantes, conhecidos como estados de Floquet-Bloch, são interessantes do ponto de vista de pesquisa pura, bem como para uma nova classe de transistor proposta com base em isoladores topológicos Floquet (FTIs).
Em uma descoberta importante, os pulsos ultracurtos de luz necessários para detectar a formação de estados de Floquet mostraram-se tão eficazes no desencadeamento do estado quanto a iluminação contínua, uma questão importante que, até agora, tinha sido amplamente ignorado.
Uma onda contínua ou pulsos ultracurtos:o problema com o tempo
Física de Floquet, que tem sido usado para prever como um isolador pode ser transformado em um FTI, é baseado em um campo puramente sinusoidal, ou seja, contínuo, iluminação monocromática (comprimento de onda único) que não tem começo nem fim.
O autor correspondente, Prof Jeff Davis (Swinburne University of Technology), lidera o laboratório de espectroscopia ultrarrápida de Swinburne. Crédito:FLEET
Para observar esta transição de fase, Contudo, apenas pulsos ultracurtos oferecem intensidades de pico suficientes para produzir um efeito detectável. E aí está o problema.
Ligar ou desligar até mesmo a fonte de luz mais pura introduz uma ampla gama de frequências adicionais ao espectro da luz; quanto mais abrupta a mudança, quanto mais banda larga o espectro. Como resultado, pulsos ultracurtos como os usados aqui não estão de acordo com as suposições nas quais a física de Floquet se baseia.
"Pulsos ultracurtos são o mais longe que você pode conseguir de uma onda monocromática, "diz o Dr. Stuart Earl da Swinburne University of Technology (Austrália).
"Contudo, agora mostramos que mesmo com pulsos menores que 15 ciclos ópticos (34 femtossegundos, ou 34 milionésimos de bilionésimo de segundo), isso simplesmente não importa. "
Espectroscopia bomba-sonda de monocamada atômica elicia uma resposta instantânea
Devido à sua forte interação com a luz, o WS 2 o cristal de monocamada é visível apesar de consistir em apenas uma única camada de átomos. Sua interação é tão forte que os fótons que emite são facilmente detectados em um laboratório bem iluminado, mesmo em temperatura ambiente, conforme mostrado pelo mapa de fotoluminescência inserido. Crédito:FLEET
Dr. Earl, com colaboradores da Australian National University e do ARC Centre for Future Low-Energy Electronic Technologies (FLEET), submetido a uma monocamada atômica de dissulfeto de tungstênio (WS 2 ) para pulsos de luz de comprimento variável, mas a mesma energia total, alterando a intensidade do pico de forma controlada.
WS 2 é um dichalcogeneto de metal de transição (TMD), uma família de materiais investigados para uso no futuro 'além da eletrônica CMOS'.
A equipe usou a espectroscopia com bomba para observar uma mudança transitória na energia do exciton A de WS 2 devido ao efeito óptico Stark (a realização mais simples da física Floquet). Graças ao uso de um pulso de bomba sub-bandgap, o sinal que mediram, que persistiu apenas enquanto o próprio pulso, foi devido às interações entre o equilíbrio e os estados virtuais vestidos com fótons dentro da amostra.
"Pode parecer estranho que possamos aproveitar os estados virtuais para manipular uma transição real", diz o Dr. Earl. "Mas porque usamos um pulso de bomba sub-bandgap, nenhum estado real foi povoado. "
"O WS 2 respondeu instantaneamente, mas mais significativamente, sua resposta dependia linearmente da intensidade instantânea do pulso, como se tivéssemos ativado um campo monocromático infinitamente lento, isso é, adiabaticamente "explica o professor Jeff Davis, também na Swinburne University of Technology. "Esta foi uma descoberta empolgante para nossa equipe. Apesar de os pulsos serem extremamente curtos, os estados do sistema permaneceram coerentes. "
'Franjas' na refletância diferencial (como uma função do atraso relativo entre os pulsos da bomba e da sonda) indicam que o pulso da bomba muda o intervalo de banda da monocamada como se fosse introduzido infinitamente lentamente, apesar de ter apenas 34 fs de comprimento. Crédito:FLEET
Uma perturbação adiabática é aquela que é introduzida extremamente lentamente, para que os estados do sistema tenham tempo de se adaptar, um requisito crucial para os FTIs. Embora os pulsos ultracurtos não devam ser compatíveis com este requisito, este resultado fornece evidências claras de que, para essas monocamadas atômicas, eles fazem. Isso agora permite que a equipe atribua qualquer evidência de comportamento não adiabático à amostra, ao invés de seu experimento.
Essas descobertas agora permitem que a equipe FLEET explore os estados de Floquet-Bloch nesses materiais com um pulso acima do bandgap, que, teoricamente, deve conduzir o material à fase exótica conhecida como isolante topológico Floquet. A compreensão desse processo deve, então, ajudar os pesquisadores a incorporar esses materiais em uma nova geração de baixa energia, alta largura de banda, e potencialmente ultrarrápido, transistores.
Os sistemas que exibem transporte sem dissipação quando desviados do equilíbrio são estudados no Tema de pesquisa 3 da FLEET, procurando novo, eletrônicos de ultra-baixa energia para lidar com o aumento, energia insustentável consumida por computação (já 8% da eletricidade global, e dobrando a cada década).
