Нелинейный круговой дихроизм выявляет локальную кривизну Берри
Физики из Университета имени Фридриха Шиллера в Йене и Регенсбургского университета разработали метод определения кривизна Берри — величина, описывающая определенные геометрические свойства квантово-механических состояний электронов. Измерения проводились в слое полупроводника диселенида вольфрама толщиной всего в один атомный слой. В работе использовались сверхкороткие лазерные импульсы. Результаты опубликованы в журнала Nature Photonics.
Фото. Аспирантка Неле Торнов в лаборатории нелинейной оптики Института физики твердого тела Йенского университета. Фото: Николь Нергер.
Электроны в кристалле не просто движутся как мельчайшие частицы по фиксированным траекториям. Их поведение определяется квантово-механическими состояниями. Исследователи обобщают геометрические свойства этих состояний под термином «квантовая геометрия». Важным параметром здесь является кривизна Берри. Помимо прочего, она влияет на то, как электроны реагируют на свет или электрические поля. До сих пор кривизна Берри в основном рассчитывалась теоретически или исследовалась с помощью сравнительно сложных экспериментальных методов.
Для эксперимента был использован диселенид вольфрама — полупроводник, толщина исследуемого слоя которого составляет менее одного нанометра. Такие атомарно тонкие материалы особенно сильно реагируют на свет, поэтому хорошо подходят для нелинейных оптических экспериментов.
Рис. Спиральность и спектры второй гармоники с временным разрешением. Источник: Nature Photonics (2026). DOI: 10.1038/s41566-026-02025-8
Физики направили на образец два сверхкоротких лазерных импульса. Первый изменяет электронные состояния материала на ничтожно малую долю секунды. Второй служит для оптического обнаружения этого изменения. При этом генерируется свет с частотой, вдвое превышающий частоту падающего света. По его поляризации экспериментаторы получают информацию о кривизне Берри. Эффект проявляется в течение нескольких сотен фемтосекунд. Если меняется направление вращения первого циркулярно поляризованного лазерного импульса, то знак измеряемого сигнала также меняется на противоположный. На основе данных измерений удалось определить кривизну Берри, которая соответствовала теоретическим расчетам.
Фундаментальный подход не ограничивается этим классом материалов (диселенид вольфрама). Как принцип измерения, так и модель, могут быть применены и к другим материалам. В долгосрочной перспективе этот метод может помочь более детально исследовать геометрические свойства электронных состояний и лучше понять их поведение в быстрых оптических процессах.
