Псевдоспин-селективная разработка полос Флоке в черном фосфоре
Исследователи из Университета Цинхуа, Бейханского университета и Китайской академии наук в Китае недавно продемонстрировали экспериментальную реализацию инженерии зон Флоке в модельном полупроводнике, а именно в черном фосфоре. Их статья, опубликованная в журнале Nature, может послужить основой для будущих исследований, изучающих инженерию Флоке полупроводниковых материалов и пытающихся реализовать возникающие явления, индуцированные светом, такие как индуцированные светом топологические фазовые переходы.
Схемы проектирования зон Флоке в полупроводниках Авторы и права: Шуюн Чжоу, Чанхуа Бао, Шаохуа Чжоу.
Физики пытались определить надежные стратегии манипулирования квантовыми состояниями в твердотельных материалах, холодных атомах и других системах, поскольку это могло бы способствовать развитию новых технологий. Одной из таких стратегий является инженерия Флоке, которая влечет за собой периодическое управление квантовыми состояниями материи.
Исследователи из Университета Цинхуа, Бейханского университета и Китайской академии наук в Китае недавно продемонстрировали экспериментальную реализацию инженерии зон Флоке в модельном полупроводнике, а именно в черном фосфоре. Их статья, опубликованная в журнале Nature, может послужить основой для будущих исследований, изучающих инженерию Флоке полупроводниковых материалов и пытающихся реализовать возникающие явления, индуцированные светом, такие как индуцированные светом топологические фазовые переходы.
«Взаимодействие света и материи играет решающую роль в экспериментальной физике конденсированных сред и материаловедении не только как экспериментальные зонды для раскрытия лежащей в основе физики низкоразмерных квантовых материалов, но, что более важно, как эффективные ручки управления для электронных структурам и квантовыми неравновесными состояниями», — сказал Phys.org Шуюн Чжоу, который инициировал и руководил этим исследованием.
«Такое неравновесное управление предоставляет захватывающие возможности для создания новых физических явлений, помимо тех, что находятся в равновесном состоянии. В этом направлении адаптация квантовых состояний материи с помощью периодических во времени полей (например, инженерия Флоке) привлекла широкий интерес за последние несколько десятилетий. ."
Прошлые исследования применяли технику Флоке к системам конденсированного состояния, холодным атомам и оптическим решеткам. Теоретические работы также предсказали интригующие явления, основанные на технике Флоке, такие как индуцированные светом топологические фазовые переходы. Однако экспериментальных свидетельств инженерии Флоке все еще относительно мало.
«На многие фундаментальные вопросы еще предстоит ответить с помощью экспериментальных результатов», — сказал Чжоу. «Например, можно ли реализовать технику Флоке в полупроводнике в реальных экспериментальных условиях? Решение этого вопроса важно, поскольку полупроводники широко используются в электронных и оптоэлектронных устройствах».
Экспериментальные доказательства создания полос Флоке в черном фосфоре с помощью TRARPES. Красными стрелками отмечено открытие светоиндуцированной щели в переходной электронной структуре.
Предоставлено: Шуюн Чжоу, Чанхуа Бао, Шаохуа Чжоу.
В течение нескольких лет Чжоу и его коллеги пытались определить благоприятные методы и экспериментальные условия для исследования возникающих световых явлений и реализации техники Флоке в полупроводниках. Это может быть особенно сложной задачей, поскольку техника Флоке требует низкой энергии фотонов и сильного пикового электрического поля.
Чтобы удовлетворить эти требования, исследователи разработали инструменты, которые применяют высокоинтенсивные импульсы накачки в среднем инфракрасном диапазоне. В своих экспериментах они объединили эти инструменты с современным методом, известным как фотоэмиссионная спектроскопия с временным и угловым разрешением (TrARPES).
«Для начала мы выбрали почти идеальный образец полупроводника — высококачественный черный фосфор с малой шириной запрещенной зоны и высокой подвижностью, что может быть благоприятным для реализации технологии Флоке», — сказал Чжоу. «Самый сложный аспект нашего исследования заключается в том, что это всё еще широко неисследованная область, и неясно какие экспериментальные условия (энергия фотона накачки, поляризация накачки и т. д.) благоприятны для индуцирования световых манипуляций с электронной структурой. Это все равно, что искать в темноте, и нам потребовалось немало лет, прежде чем мы что-то заметили».
Чжоу и его коллеги в конечном итоге смогли наблюдать управляемую светом переходную модуляцию структуры полосы Флоке в черном фосфоре путем систематической точной настройки энергии фотонов, поляризации и временной задержки в своем образце. Это первая экспериментальная демонстрация технологии зон Флоке в полупроводнике.
«Наша работа дает важные сведения о разработке полупроводников Флоке, подчеркивая важность резонансной накачки», — сказал Чжоу. «Хотя оптические переходы традиционно считались вредными для состояний Флоке, наша работа показывает, что действительно для полупроводника резонансная накачка может быть благоприятной и даже критической для инженерии зон Флоке. Это удивительное открытие открывает путь для поиска инженерии Флоке в квантовых материалах."
Экспериментальная группа из группы Чжоу в Университете Цинхуа. Кредит: Чжоу и др.
Недавняя работа этой группы исследователей является важным шагом на пути к достижению индуцированного светом топологического фазового перехода, ключевой цели в области квантовой физики. Таким образом, их результаты могут вскоре проложить путь для новых исследований, направленных на временное управление топологическими состояниями в сверхбыстрых временных масштабах.
Экспериментальные методы, используемые Чжоу и его коллегами, очень многообещающи для достижения инженерии зон Флоке с принудительной симметрией решетки с более сильной поляризационной селективностью накачки. Эти методы можно использовать для надежного включения и выключения полосы Флоке в полупроводниках, что может способствовать разработке новых быстродействующих устройств.
Пейж Танг, один из теоретиков, разработавших теорию псевдоспиновых правил отбора техники Флоке в этой работе, прокомментировал: «Эта работа ясно показывает, что инженерная физика Флоке может быть дополнительно обогащена псевдоспином, квантовой степенью свободы по аналогии с вращением».
«Эта работа прокладывает важный шаг к топологическому фазовому переходу с помощью инженерии Флоке», — добавил Чжоу. «Следующим шагом будет достижение светоиндуцированного топологического фазового перехода или даже индуцирование нетривиальной топологии в топологически тривиальном материале в сверхбыстрых временных масштабах с помощью инженерии Флоке. Кроме того, мы хотели бы распространить инженерию Флоке на многие другие твердотельные материалы».
