Полупрозрачный кристалл в центре этой иллюстрации представляет собой топологический изолятор, квантовый материал, в котором электроны (белые точки) свободно текут по его поверхности, но не проходят сквозь его внутреннюю часть. Воздействуя на TI мощными импульсами лазерного света с круговой поляризацией (красная спираль), ученые из SLAC и Стэнфорда создали гармоники, которые показали, что происходит, когда поверхность переключается из своей квантовой фазы и становится обычным изолятором. Предоставлено: Грег Стюарт/Национальная ускорительная лаборатория SLAC.

Топологические изоляторы, или ТИ, имеют две стороны: электроны свободно текут вдоль краев их поверхности, как автомобили на супермагистрали, но вообще не могут проходить через внутреннюю часть материала. Для создания этого уникального квантового состояния требуется особый набор условий — наполовину электрический проводник, наполовину изолятор — которое исследователи надеются когда-нибудь использовать для таких вещей, как спинтроника, квантовые вычисления и квантовое восприятие. На данный момент они просто пытаются понять, что заставляет работать TI.

В последнем продвижении в этом направлении исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета систематически исследовали «фазовый переход», при котором TI теряет свои квантовые свойства и становится обычным изолятором.

Они сделали это, используя спиралевидные лучи лазерного света для создания гармоник — очень похожих на вибрации щипковой гитарной струны — из исследуемого материала. Эти гармоники позволяют легко отличить то, что происходит в слое супермагистрали, от того, что происходит внутри, и увидеть, как одно состояние сменяется другим, сообщили они сегодня в Nature Photonics.

«Гармоники, создаваемые материалом, усиливают эффекты, которые мы хотим измерить, что делает это очень чувствительным способом увидеть, что происходит в TI», — сказал Кристиан Хайде, научный сотрудник Стэнфордского института PULSE в SLAC, который руководил экспериментами.

«А поскольку этот световой подход можно реализовать в лаборатории с настольным оборудованием, он делает изучение этих материалов более простым и доступным, чем некоторые предыдущие методы».

Эти результаты впечатляют, добавил главный исследователь PULSE Шамбху Гимире, потому что они показывают, что новый метод имеет потенциал для наблюдения за тем, как TI переключается между состояниями супермагистрали и изоляции, как это происходит, и в мельчайших деталях — очень похоже на использование камеры с очень быстрым затвором.

Схема экспериментальной установки в лаборатории мощных лазеров SLAC, где ученые использовали лазерный луч с круговой поляризацией для исследования топологического изолятора — типа квантового материала, проводящего электрический ток по своей поверхности, но не через его внутреннюю часть. Процесс, называемый генерацией высоких гармоник, сдвигает лазерный свет в сторону более высоких энергий и частот, или гармоник, когда он проходит через TI. Гармоники позволяют ученым четко различать, что делают электроны на проводящей поверхности материала и в его изолирующей внутренней части. Предоставлено: Шамбху Гимире/Стэнфордский институт PULSE.

Долгий путь гармонии

Это было последнее из серии исследований под руководством Ghimire и директора PULSE Дэвида Рейса по генерации высоких гармоник, или HHG, явлению, которое сдвигает лазерный свет в сторону более высоких энергий и частот, пропуская его через материал. Частоты смещаются четкими шагами, как ноты, сделанные нажатием на гитарную струну.

За последние десять лет их исследовательской группе удалось сделать это на ряде материалов, которые считались маловероятными или даже невозможными кандидатами на ГВГ, включая кристалл, замороженный газ аргон и атомарно тонкий полупроводниковый материал. Они даже были в состоянии производить аттосекундные лазерные импульсы, длительность которых составляет всего одну миллиардную от миллиардной доли секунды и может использоваться для наблюдения и управления движением электронов, направляя лазер через обычное стекло.

Четыре года назад постдокторант Деница Байкушева присоединилась к группе PULSE с целью выяснить, возможно ли генерировать ГВГ в топологических изоляторах — подвиг, который никогда не был достигнут ни в одном квантовом материале. За несколько лет работы команда обнаружила, что да, это можно сделать, но только если лазерный луч имеет круговую поляризацию.

И у этого спиралевидного лазерного луча был бонус: изменяя его поляризацию, они могли получать сильные, отдельные сигналы от поверхности супермагистрали TI и его заблокированного внутреннего пространства. Это позволяло им легко различать, что происходило в этих двух контрастирующих частях материала.

В текущем исследовании они намеревались продемонстрировать, что может сделать новый метод, изменяя состав их материала TI, селенида висмута, и свойств ультракоротких импульсов лазерного света, которыми они воздействовали на него, чтобы увидеть, как каждая комбинация влияет на гармоники.

Лазерный свет обычно линейно поляризован, а это означает, что его волны колеблются только в одном направлении — вверх и вниз, как в примере слева. Но он также может быть поляризован по кругу, справа, поэтому его волны закручиваются, как штопор, вокруг направления, в котором движется свет. Новое исследование SLAC и Стэнфорда предсказывает, что этот свет с круговой поляризацией можно использовать для исследования квантовых материалов способами, которые раньше были невозможны. Предоставлено: Грег Стюарт/Национальная ускорительная лаборатория SLAC.

Спирали встречаются с примесями

Сначала они доставили свои образцы в Стэнфордский источник синхротронного излучения (SSRL) SLAC для исследования с помощью рентгеновского метода, называемого фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением или ARPES. Это позволило им сузить общий район, где происходит переход.

Затем, вернувшись в лабораторию, они увеличили масштаб, чтобы увидеть больше деталей.

Они подготовили серию образцов селенида висмута — некоторые из них были чистыми, а другие содержали различные уровни химической примеси, которая, как известно, влияет на поведение электронов. Некоторые из образцов были топологическими изоляторами, а другие — простыми изоляторами.

Затем на образцы воздействовали лазерными импульсами разной энергии, степени и направления поляризации.

Они обнаружили, что импульсы с круговой поляризацией, особенно те, которые закручиваются по спирали по часовой стрелке, гораздо эффективнее создают высокие гармоники от поверхностей супермагистралей, чем от изолирующих частей материала. «Разница между ними была огромной», — сказал Хайде, поэтому команда могла легко отличить два штата друг от друга.

В то время как чистые образцы представляли собой классические ТИ, материал начинал терять свои топологические способности при уровне примеси около 4% и терял их вообще на 20%. На тот момент материал был обычным изолятором.

Сверхкороткие лазерные импульсы, использованные в этом исследовании, длительностью около 100 фемтосекунд, или миллионных миллиардных долей секунды, проходят сквозь образец, не повреждая его, и могут быть настроены для исследования любого места внутри него».

И, как камера со сверхкороткой выдержкой, эта относительно небольшая и доступная по цене лазерная установка должна быть в состоянии наблюдать характеристики топологического перехода, а также другие электронные свойства и процессы в гораздо более мелких деталях и по мере их изменения в реальном времени, сказал Гимире.

«Это одна из возможностей, которая делает этот полностью оптический метод интересным и дает ему широкий спектр потенциальных применений, — сказал он, — и это то, что мы планируем изучить в будущих экспериментах».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org