Explorando estradas de elétrons quânticos com luz laser

O cristal translúcido no centro desta ilustração é um isolante topológico, um material quântico onde os elétrons (pontos brancos) fluem livremente em sua superfície, mas não em seu interior. Ao atingir um TI com pulsos poderosos de luz laser circularmente polarizada (espiral vermelha), os cientistas do SLAC e Stanford geraram harmônicos que revelaram o que acontece quando a superfície sai de sua fase quântica e se torna um isolante comum. Crédito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Os isolantes topológicos, ou TIs, têm duas faces:Os elétrons fluem livremente ao longo de suas bordas de superfície, como carros em uma superestrada, mas não podem fluir pelo interior do material. É preciso um conjunto especial de condições para criar esse estado quântico único – parte condutor elétrico, parte isolante – que os pesquisadores esperam um dia explorar para coisas como spintrônica, computação quântica e sensoriamento quântico. Por enquanto, eles estão apenas tentando entender o que faz os TIs funcionarem.
No mais recente avanço nessa linha, pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford investigaram sistematicamente a “transição de fase” na qual um TI perde suas propriedades quânticas e se torna apenas mais um isolante comum.

Eles fizeram isso usando feixes de luz de laser em espiral para gerar harmônicos – muito parecidos com as vibrações de uma corda de guitarra dedilhada – a partir do material que estavam examinando. Esses harmônicos facilitam distinguir o que está acontecendo na camada da superestrada do que está acontecendo no interior e ver como um estado dá lugar ao outro, eles relataram em Nature Photonics hoje.

"Os harmônicos gerados pelo material amplificam os efeitos que queremos medir, tornando esta uma maneira muito sensível de ver o que está acontecendo em um TI", disse Christian Heide, pesquisador de pós-doutorado do Instituto Stanford PULSE no SLAC, que liderou os experimentos. .

“E como essa abordagem baseada em luz pode ser feita em um laboratório com equipamento de mesa, ela torna a exploração desses materiais mais fácil e acessível do que alguns métodos anteriores”.

Esses resultados são empolgantes, acrescentou o investigador principal do PULSE, Shambhu Ghimire, porque eles mostram que o novo método tem potencial para observar TIs alternando entre superestradas e estados isolantes enquanto isso acontece e em detalhes – muito parecido com uma câmera usando um obturador muito rápido Rapidez.

Diagrama de uma configuração experimental no laboratório de laser de alta potência do SLAC, onde os cientistas usaram luz laser polarizada circularmente para sondar um isolante topológico – um tipo de material quântico que conduz corrente elétrica em suas superfícies, mas não em seu interior. Um processo chamado geração de alta harmônica desloca a luz do laser para energias e frequências mais altas, ou harmônicas, à medida que passa por um TI. Os harmônicos permitem aos cientistas distinguir claramente o que os elétrons estão fazendo na superfície condutora do material e seu interior isolante. Crédito:Shambhu Ghimire/Instituto Stanford PULSE

Uma longa jornada harmônica

Este foi o último de uma série de estudos liderados por Ghimire e o diretor do PULSE, David Reis, sobre alta geração harmônica, ou HHG, um fenômeno que muda a luz do laser para energias e frequências mais altas, brilhando-a através de um material. As frequências são alteradas em etapas distintas, como notas feitas pressionando uma corda de violão.

Nos últimos doze anos, sua equipe de pesquisa conseguiu fazer isso em vários materiais que eram considerados candidatos improváveis ou mesmo impossíveis para HHG, incluindo um cristal, gás argônio congelado e um material semicondutor atomicamente fino. Eles foram até capazes de produzir pulsos de laser de attossegundos – que têm apenas um bilionésimo de bilionésimo de segundo e podem ser usados para observar e controlar os movimentos dos elétrons – fazendo um laser brilhar através de vidro comum.

Há quatro anos, a pesquisadora de pós-doutorado Denitsa Baykusheva se juntou ao grupo PULSE com o objetivo de ver se era possível gerar HHG em isolantes topológicos – um feito que nunca havia sido alcançado em nenhum material quântico. Ao longo de vários anos de trabalho, a equipe descobriu que sim, isso poderia ser feito, mas apenas se a luz do laser fosse polarizada circularmente.

E essa luz de laser em espiral tinha um bônus:variando sua polarização, eles foram capazes de obter sinais fortes e separados da superfície da superestrada da TI e de seu interior bloqueado. Isso permitiu que eles distinguissem facilmente o que estava acontecendo nessas duas partes contrastantes do material.

No estudo atual, eles começaram a demonstrar o que o novo método poderia fazer variando a composição de seu material de TI, seleneto de bismuto, e as propriedades dos pulsos ultracurtos de luz de laser com os quais eles o atingiram para ver como cada combinação afetava os harmônicos. o material gerado.

A luz do laser geralmente é 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 polarizado circularmente, à direita, de modo que suas ondas espiralam como um saca-rolhas ao redor da direção em que a luz está viajando. Um novo estudo do SLAC e Stanford prevê que essa luz circularmente polarizada pode ser usada para explorar materiais quânticos de maneiras que antes não eram possíveis. Crédito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

As espirais encontram as impurezas

Primeiro, eles levaram suas amostras para o Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC para exame com uma técnica de raios-X chamada espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo, ou ARPES. Isso permitiu que eles reduzissem a vizinhança geral onde a transição ocorre.

Então, de volta ao laboratório, eles ampliaram para ver mais detalhes.

Eles prepararam uma série de amostras de seleneto de bismuto – algumas puras e outras contendo níveis variados de uma impureza química que é conhecida por afetar o comportamento dos elétrons. Algumas das amostras eram isolantes topológicos e outras eram isolantes simples.

Em seguida, eles atingem as amostras com pulsos de laser de diferentes energias e graus e direções de polarização.

Eles descobriram que os pulsos polarizados circularmente, especialmente os que giravam no sentido horário, eram muito mais eficientes na produção de altas harmônicas de superfícies de superestradas do que de partes isolantes do material. "A diferença entre os dois era enorme", disse Heide, para que a equipe pudesse distinguir facilmente os dois estados.

Enquanto amostras puras eram TIs clássicos, o material começou a perder suas habilidades topológicas em um nível de impureza de cerca de 4% e as perdeu completamente em 20%. Nesse ponto, o material era um isolante comum.

Os pulsos de laser ultracurtos usados neste estudo – cerca de 100 femtossegundos, ou milionésimos de bilionésimos de segundo, longos – passam direto pela amostra sem danificá-la e podem ser ajustados para sondar qualquer ponto dentro dela, Heide diz que “isso é um benefício muito grande."

E como uma câmera com uma velocidade de obturador super-rápida, essa configuração de laser relativamente pequena e acessível deve ser capaz de observar as características da transição topológica, bem como outras propriedades e processos eletrônicos, com muito mais detalhes e à medida que mudam em real tempo, disse Ghimire.

“Essa é uma possibilidade que torna esse método totalmente óptico interessante e oferece uma ampla gama de aplicações potenciais”, disse ele, “e é algo que planejamos explorar em experimentos futuros”. + Explorar mais