Эксперименты подтверждают уникальную реакцию квантового материала на лазерный свет с круговой поляризацией

На иллюстрации показано, как лазерный свет с круговой поляризацией (вверху) используется для исследования топологического изолятора (черный), квантового материала, который проводит электрический ток по своей поверхности, но не через его внутреннюю часть. Свет заставляет электроны в материале разлетаться, рекомбинировать и излучать свет (белый) более высоких энергий и частот посредством процесса, называемого генерацией высоких гармоник. Анализируя этот излучаемый свет, ученые могут измерить спин и импульс электронов в материале. Эксперименты в SLAC подтверждают, что эти сигналы являются уникальной сигнатурой топологических поверхностей. Предоставлено: Грег Стюарт / Национальная ускорительная лаборатория SLAC.

Деница Байкушева, научный сотрудник Швейцарского национального научного фонда, присоединилась к его группе в Стэнфордском институте PULSE двумя годами ранее с целью найти способ генерировать генерацию высоких гармоник, или HHG, в этих материалах в качестве инструмента для исследования их поведения. В HHG лазерный свет, проходящий через материал, смещается в сторону более высоких энергий и более высоких частот, называемых гармониками, подобно тому, как нажатие на гитарную струну дает более высокие ноты. Если бы это можно было сделать в ТИ, которые являются многообещающими строительными блоками для таких технологий, как спинтроника, квантовое зондирование и квантовые вычисления, это дало бы ученым новый инструмент для исследования этих и других квантовых материалов.

Когда эксперимент был остановлен на полпути, она и ее коллеги обратились к теории и компьютерному моделированию, чтобы придумать новый рецепт генерации HHG в топологических изоляторах. Результаты показали, что свет с круговой поляризацией, который движется по спирали вдоль направления лазерного луча, будет давать четкие уникальные сигналы как от проводящих поверхностей, так и от внутренней части исследуемой ТИ, селенида висмута, и фактически усиливает приходящий сигнал. с поверхностей.

Когда лаборатория вновь открылась для экспериментов с соблюдением мер предосторожности против covid, Байкушева решила впервые опробовать этот рецепт. В статье, опубликованной сегодня в Нано буквы, исследовательская группа сообщает, что эти тесты прошли точно так, как предполагалось, и дали первую уникальную сигнатуру с топологической поверхности.

Схема экспериментальной установки в лаборатории мощных лазеров SLAC, где ученые использовали лазерный свет с круговой поляризацией для исследования топологического изолятора – типа квантового материала, который проводит электрический ток по своей поверхности, но не через его внутреннюю часть. Процесс, называемый генерацией высоких гармоник, смещает лазерный свет в сторону более высоких энергий и частот или гармоник. Это создает поляризационные картины в детекторе (стрелки), которые показывают спин и импульс электронов в проводящем поверхностном слое – уникальную характеристику топологической поверхности. Предоставлено: Шамбху Гимире / Стэнфордский институт PULSE.

«Этот материал выглядит совсем иначе, чем любой другой материал, который мы пробовали», – сказал Гимире, главный исследователь в PULSE. «Это действительно захватывающая возможность найти новый класс материала, который имеет совершенно иной оптический отклик, чем что-либо еще».

За последние десять лет Гимир провел серию экспериментов с директором PULSE Дэвидом Рейсом, показав, что HHG может быть произведен способами, которые ранее считались маловероятными или даже невозможными: излучением лазерного света в кристалл, замороженный аргон или атомарный газ. 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.

Но квантовые материалы упорно сопротивлялись подобному анализу, и разделение личностей топологических изоляторов представляло особую проблему.

«Когда мы светим лазерным лучом на TI, и поверхность, и интерьер создают гармоники. Задача состоит в том, чтобы разделить их », – сказал Гимире.

Он объяснил, что ключевым открытием команды было то, что свет с круговой поляризацией взаимодействует с поверхностью и внутренним пространством совершенно по-разному, что усиливает генерацию высоких гармоник, исходящих от поверхности, а также придает ему характерную сигнатуру. Эти взаимодействия, в свою очередь, формируются двумя фундаментальными различиями между поверхностью и внутренним пространством: степенью поляризации их электронных спинов – например, ориентированными по часовой стрелке или против часовой стрелки – и типами симметрии, обнаруженными в их атомных решетках. .

Поскольку группа опубликовала свой рецепт достижения ГВГ в ТИ в начале этого года, две другие исследовательские группы в Германии и Китае сообщили о создании ГВГ в топологическом изоляторе, сказал Гимайр. Но оба этих эксперимента проводились с линейно поляризованным светом, поэтому они не видели усиленного сигнала, генерируемого светом с круговой поляризацией. Этот сигнал, по его словам, является уникальной особенностью топологических поверхностных состояний.

Этот узор из стрелок отражает объединенный спин и импульс электронов в поверхностном слое топологического изолятора, квантового материала, который проводит электрический ток по его поверхности, но не через его внутреннюю часть. Эксперименты в SLAC обнаружили, что лазерный свет с круговой поляризацией соединяется с этой спиновой поляризацией, создавая уникальный образец генерации высоких гармоник, который является признаком топологических поверхностей. Предоставлено: Деница Байкушева / Стэнфордский институт PULSE.

Поскольку интенсивный лазерный свет может превратить электроны в материале в суп из электронов – плазму, – команде пришлось найти способ сместить длину волны своего мощного титан-сапфирового лазера так, чтобы она была в 10 раз длиннее, а значит, в 10 раз меньше. энергичный. Они также использовали очень короткие лазерные импульсы, чтобы минимизировать повреждение образца, что имело дополнительное преимущество, позволяющее им фиксировать поведение материала с выдержкой, эквивалентной миллионным долям миллиардной секунды.

«Преимущество использования HHG в том, что это сверхбыстрый зонд», – сказал Гимайр. «Теперь, когда мы определили этот новый подход к исследованию топологических состояний поверхности, мы можем использовать его для изучения других интересных материалов, включая топологические состояния, индуцированные сильными лазерами или химическими средствами».

Исследователи из Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES) в SLAC, Университета Мичигана, Анн-Арбор, и Университета науки и технологий Пхохана (POSTECH) в Корее внесли свой вклад в эту работу.