Tout comme le fait d’appuyer sur une corde de guitare produit un ton plus élevé, l’envoi de lumière laser à travers un matériau peut le déplacer vers des énergies plus élevées et des fréquences plus élevées. – Technoguide

Les isolants topologiques sont l’un des matériaux quantiques les plus déroutants – une classe de matériaux dont les électrons coopèrent de manière surprenante pour produire des propriétés inattendues. Les bords d’un TI sont des autoroutes électroniques où les électrons circulent sans perte, ignorant les impuretés ou autres obstacles sur leur chemin, tandis que la majeure partie du matériau bloque le flux d’électrons.

Les scientifiques ont étudié ces matériaux déroutants depuis leur découverte il y a un peu plus de dix ans dans le but de les exploiter pour des choses comme l’informatique quantique et le traitement de l’information.

Désormais, des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du Département de l’Énergie et de l’Université de Stanford ont inventé un nouveau moyen pratique de sonder les phénomènes les plus rapides et les plus éphémères au sein d’une TI et de distinguer clairement ce que ses électrons font sur les bords des autoroutes de ce qu’ils font. vous faites partout ailleurs.

La technique tire parti d’un phénomène appelé génération d’harmoniques élevées, ou HHG, qui déplace la lumière laser vers des énergies plus élevées et des fréquences plus élevées – tout comme le fait d’appuyer sur une corde de guitare produit une note plus élevée – en la faisant briller à travers un matériau. En faisant varier la polarisation de la lumière laser entrant dans un TI et en analysant la lumière décalée qui en sort, les chercheurs ont obtenu des signaux puissants et séparés qui leur indiquaient ce qui se passait dans chacun des deux domaines contrastés du matériau.

«Ce que nous avons découvert, c’est que la lumière qui sort nous donne des informations sur les propriétés des surfaces des autoroutes», a déclaré Shambhu Ghimire, chercheur principal au Stanford PULSE Institute du SLAC, où le travail a été effectué. «Ce signal est tout à fait remarquable, et sa dépendance à la polarisation de la lumière laser est radicalement différente de ce que nous voyons dans les matériaux conventionnels. Nous pensons que nous avons une approche potentiellement nouvelle pour initier et sonder les comportements quantiques qui sont supposés être présents dans un large gamme de matériaux quantiques. “

L’équipe de recherche a rendu compte des résultats de l’examen physique A aujourd’hui.

Lumière dedans, lumière éteinte

À partir de 2010, une série d’expériences menées par Ghimire et le directeur de PULSE, David Reis, a montré que le HHG pouvait être produit de manière que l’on pensait auparavant improbable ou même impossible: en projetant une lumière laser dans un cristal, un gaz argon congelé ou un matériau semi-conducteur atomiquement mince. . Une autre étude a décrit comment utiliser HHG pour générer des impulsions laser attosecondes, qui peuvent être utilisées pour observer et contrôler les mouvements d’électrons, en projetant un laser à travers du verre ordinaire.

En 2018, Denitsa Baykusheva, boursière du Fonds national suisse avec une formation en recherche HHG, a rejoint le groupe PULSE en tant que chercheuse postdoctorale. Son objectif était d’étudier le potentiel de génération de HHG dans les isolants topologiques – la première étude de ce type dans un matériau quantique. “Nous voulions voir ce qu’il advient de l’impulsion laser intense utilisée pour générer du HHG”, a-t-elle déclaré. “Personne n’avait focalisé une lumière laser aussi puissante sur ces matériaux auparavant.”

Mais à mi-chemin de ces expériences, la pandémie COVID-19 a frappé et le laboratoire a fermé ses portes en mars 2020 pour toutes les recherches, sauf celles essentielles. L’équipe a donc dû réfléchir à d’autres moyens de progresser, a déclaré Baykusheva.

“Dans un nouveau domaine de recherche comme celui-ci, théorie et expérience doivent aller de pair”, a-t-elle expliqué. “La théorie est essentielle pour expliquer les résultats expérimentaux et aussi pour prédire les avenues les plus prometteuses pour de futures expériences. Nous nous sommes donc tous transformés en théoriciens” – travaillant d’abord avec un stylo et du papier, puis en écrivant du code et en faisant des calculs pour alimenter des modèles informatiques.

Un résultat éclairant

À leur grande surprise, les résultats ont prédit que la lumière laser à polarisation circulaire, dont les ondes en spirale autour du faisceau comme un tire-bouchon, pourrait être utilisée pour déclencher HHG dans les isolants topologiques.

“L’une des choses intéressantes que nous avons observées est que la lumière laser à polarisation circulaire est très efficace pour générer des harmoniques à partir des surfaces d’autoroute de l’isolant topologique, mais pas à partir du reste”, a déclaré Baykusheva. “C’est quelque chose de très unique et spécifique à ce type de matériau. Il peut être utilisé pour obtenir des informations sur les électrons qui parcourent les autoroutes et ceux qui ne le font pas, et il peut également être utilisé pour explorer d’autres types de matériaux qui ne le peuvent pas. être sondé avec une lumière polarisée linéairement. “

Les résultats présentent une recette pour continuer à explorer HHG dans les matériaux quantiques, a déclaré Reis, qui est co-auteur de l’étude.

«Il est remarquable qu’une technique qui génère des champs puissants et potentiellement perturbateurs, qui prend des électrons dans le matériau et les bouscule et les utilise pour sonder les propriétés du matériau lui-même, puisse vous donner un signal aussi clair et robuste sur les états topologiques du matériau. ,” il a dit.

“Le fait que nous puissions voir quoi que ce soit est incroyable, sans parler du fait que nous pourrions potentiellement utiliser cette même lumière pour modifier les propriétés topologiques du matériau.”

Les expériences au SLAC ont repris sur une base limitée, a ajouté Reis, et les résultats du travail théorique ont donné à l’équipe une nouvelle confiance dans le fait qu’elle sait exactement ce qu’elle recherche.

Des chercheurs de Max Planck POSTECH / KOREA Research Initiative ont également contribué à ce rapport. Le financement principal de l’étude est venu du DOE Office of Science et du Fonds national suisse de la science.

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