Descobrir maneiras de controlar os aspectos topológicos dos materiais quânticos é uma importante fronteira de pesquisa porque pode levar a propriedades elétricas e de transporte de spin desejáveis ​​para futuras tecnologias de dispositivos. Agora, os cientistas do MPSD descobriram uma abordagem pioneira movida a laser para gerar um estado topológico no grafeno. Seu trabalho acaba de ser publicado em Física da Natureza .

Em materiais topológicos, elétrons experimentam um mundo distorcido. Em vez de simplesmente seguir em frente ao sentir uma força, eles podem ser empurrados para o lado. Em tal material, a corrente realmente flui ortogonalmente para uma voltagem aplicada.

O modelo básico que descreve o efeito foi desenvolvido por Duncan Haldane no final dos anos 1980, mas mesmo seu inventor duvidava que pudesse ser implementado em um material real. No entanto, a síntese química elaborada eventualmente permitiu que efeitos muito semelhantes fossem observados, desencadeando uma revolução tecnológica e, eventualmente, ganhando Haldane o Prêmio Nobel de Física de 2016.

O transporte topológico é geralmente induzido em materiais pela aplicação de fortes campos magnéticos ou pela elaboração de compostos com forte acoplamento spin-órbita. Pesquisadores do grupo de Andrea Cavalleri no MPSD agora demonstraram que uma interação coerente com luz polarizada circularmente também pode induzir correntes elétricas topológicas no grafeno material.

A abordagem radicalmente diferente da equipe consiste em iluminar o grafeno com um forte pulso de laser circularmente polarizado, cujo campo elétrico conduz os elétrons em loops. Quando o material é iluminado, de repente se comporta como um material topológico. Ele retorna ao seu estado normal assim que o pulso termina.

Embora este mecanismo tenha sido testado em simulações, não estava totalmente claro se funcionaria no contexto mais complicado de sólidos reais - e se seria possível detectá-lo.

Para provar sua descoberta, os físicos tiveram que mostrar correntes fluindo em uma direção ortogonal a uma voltagem aplicada. Contudo, havia um grande desafio:"Como o efeito persiste apenas por cerca de um milionésimo de milionésimo de segundo, tivemos que desenvolver um novo tipo de circuito eletrônico para medir isso, "diz o autor principal James McIver.

O resultado foi uma arquitetura de dispositivo optoeletrônico ultrarrápida baseada em interruptores fotocondutores. Ele confirmou a existência do efeito. Seguindo em frente, os pesquisadores planejam usar este circuito para estudar uma variedade de problemas convincentes em materiais quânticos, tais como supercondutividade induzida por luz e estados de borda topológicos revestidos de fótons.

"Este trabalho mostra que a luz é capaz de projetar propriedades topológicas em materiais topologicamente triviais, "diz o co-autor Gregor Jotzu." A aparência ultrarrápida desse efeito tem grande potencial para a construção de sensores ou computadores extremamente rápidos. "