Получены первые прямые доказательства существования топологического состояния Флоке
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, представлены первые прямые экспериментальные доказательства существования топологического состояния Флоке — новой светоиндуцированной фазы материи, которая до сих пор существовала только на бумаге и в моделировании. Топологические изоляторы могут проводить электричество по своей поверхности, оставаясь при этом изоляторами по всему объему. Физики годами разрабатывали технологию Флоке — метод, использующий интенсивные, быстро осциллирующие световые поля для временного изменения электронной структуры материала. Сочетание этих двух идей казалось естественным следующим шагом: использовать свет, чтобы по требованию заставить обычный материал вести себя как топологический изолятор. В эксперименте был использован теллурид олова (SnTe).
Фото 1. Экспериментальная установка, использованная для исследования переходной электронной структуры SnTe. Фото: Жеральд и Максим Румо.
Топологические изоляторы ведут себя как изоляторы внутри своих зон, но проводят электричество по внешним поверхностям. Поверхностная проводимость обеспечивается топологией зон и кристаллической симметрией материала и проявляется в виде характерной конусообразной структуры в его электронной структуре, известной как конус Дирака.
Используя интенсивное, быстро осциллирующее световое поле, можно временно изменить электронные свойства материала. Электроны в материале образуют новые «состояния Флоке», фактически копируя исходные электронные полосы, смещенные энергией фотона. Эти «реплики» полос могут взаимодействовать с реальными электронными полосами материала, изменяя его свойства до тех пор, пока присутствует свет.
Материал SnTe, использованный в этом исследовании, был выбран намеренно. При высоких температурах он может принимать кристаллическую структуру, поддерживающую истинную топологическую фазу, но при низких температурах, использованных в этом эксперименте, он естественным образом переходит в другую, нетопологическую структуру.
Фото 2. Образец SnTe, освещенный импульсом лазера накачки. Фото: Жеральд и Максим Румо.
Учёные использовали времяразрешенную угловую фотоэмиссионную спектроскопию (TR-ARPES), метод, позволяющий получать изображения электронной структуры материала с чрезвычайно высоким временным разрешением. Работая с кристаллами SnTe, охлажденными до 30 К, исследователи направили на образец короткий импульс накачки лазера, настроенный близко к энергии запрещенной зоны SnTe. Затем второй, более высокоэнергетический зондирующий импульс фотоэмиссии вывел электроны из материала, запечатлев моментальный снимок его электронной структуры в этот самый момент. Повторяя это измерение при различных задержках между импульсами накачки и зондирования, удалось отследить, как изменялась электронная структура материала до, во время и после попадания на него светового импульса.
Когда импульсы накачки и зондирования одновременно достигли образца, исследователи наблюдали конус Дирака в электронной структуре SnTe внутри запрещенной зоны материала. Примерно через 100 фемтосекунд после прохождения импульса накачки конус Дирака исчез, и электронная структура вернулась к своей обычной форме.
