La lumière laser en spirale révèle comment les isolants topologiques perdent leur capacité à conduire le courant électrique sur leurs surfaces. —


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  • Les isolants topologiques, ou TI, ont deux faces : les électrons circulent librement le long de leurs bords de surface, comme des voitures sur une autoroute, mais ne peuvent pas du tout traverser l’intérieur du matériau. Il faut un ensemble particulier de conditions pour créer cet état quantique unique – en partie conducteur électrique, en partie isolant – que les chercheurs espèrent un jour exploiter pour des choses comme la spintronique, l’informatique quantique et la détection quantique. Pour l’instant, ils essaient juste de comprendre ce qui motive les TI.

    Dans la dernière avancée dans ce sens, des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et de l’Université de Stanford ont systématiquement sondé la « transition de phase » dans laquelle un TI perd ses propriétés quantiques et devient juste un autre isolant ordinaire.

    Ils l’ont fait en utilisant des faisceaux de lumière laser en spirale pour générer des harmoniques – un peu comme les vibrations d’une corde de guitare pincée – à partir du matériau qu’ils examinaient. Ces harmoniques permettent de distinguer facilement ce qui se passe dans la couche d’autoroute de ce qui se passe à l’intérieur et de voir comment un état cède la place à l’autre, ont-ils rapporté dans Photonique de la nature aujourd’hui.

    « Les harmoniques générées par le matériau amplifient les effets que nous voulons mesurer, ce qui en fait un moyen très sensible de voir ce qui se passe dans un TI », a déclaré Christian Heide, chercheur postdoctoral au Stanford PULSE Institute du SLAC, qui a dirigé les expériences. .

    « Et puisque cette approche basée sur la lumière peut être réalisée dans un laboratoire avec un équipement de table, elle rend l’exploration de ces matériaux plus facile et plus accessible que certaines méthodes précédentes. »

    Ces résultats sont passionnants, a ajouté le chercheur principal de PULSE Shambhu Ghimire, car ils montrent que la nouvelle méthode a le potentiel de regarder les TI basculer entre les états d’autoroute et d’isolation au fur et à mesure et dans les moindres détails – un peu comme une caméra utilisant un très rapide vitesse d’obturation.

    Un long voyage harmonique

    Il s’agissait de la dernière d’une série d’études menées par Ghimire et le directeur de PULSE, David Reis, sur la génération d’harmoniques élevées, ou HHG, un phénomène qui déplace la lumière laser vers des énergies et des fréquences plus élevées en la faisant briller à travers un matériau. Les fréquences sont décalées par étapes distinctes, comme des notes faites en appuyant sur une corde de guitare.

    Au cours des douze dernières années, leur équipe de recherche a réussi à le faire dans un certain nombre de matériaux considérés comme des candidats improbables, voire impossibles, pour le HHG, notamment un cristal, du gaz argon congelé et un matériau semi-conducteur atomiquement mince. Ils ont même pu produire des impulsions laser attosecondes – qui ne durent qu’un milliardième de milliardième de seconde et peuvent être utilisées pour observer et contrôler les mouvements des électrons – en faisant briller un laser à travers du verre ordinaire.

    Il y a quatre ans, la chercheuse postdoctorale Denitsa Baykusheva a rejoint le groupe PULSE dans le but de voir s’il était possible de générer du HHG dans des isolants topologiques – un exploit qui n’avait jamais été réalisé dans aucun matériau quantique. Après plusieurs années de travail, l’équipe a découvert que oui, cela pouvait être fait, mais seulement si la lumière laser était polarisée circulairement.

    Et cette lumière laser en spirale avait un bonus : en faisant varier sa polarisation, ils ont pu obtenir des signaux forts et séparés de la surface de l’autoroute de TI et de son intérieur barré. Cela leur a permis de distinguer facilement ce qui se passait dans ces deux parties contrastées du matériau.

    Dans l’étude actuelle, ils ont entrepris de démontrer ce que la nouvelle méthode pouvait faire en faisant varier la composition de leur matériau TI, le séléniure de bismuth, et les propriétés des impulsions ultracourtes de lumière laser avec lesquelles ils l’ont frappé pour voir comment chaque combinaison affectait les harmoniques. la matière générée.

    Les spirales rencontrent les impuretés

    Ils ont d’abord apporté leurs échantillons à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC pour examen avec une technique de rayons X appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES. Cela leur a permis de restreindre le quartier général où la transition a lieu.

    Puis, de retour au laboratoire, ils ont zoomé pour voir plus de détails.

    Ils ont préparé une série d’échantillons de séléniure de bismuth – certains purs et d’autres contenant des niveaux variables d’une impureté chimique connue pour affecter le comportement des électrons. Certains des échantillons étaient des isolants topologiques et d’autres étaient des isolants simples.

    Ensuite, ils frappent les échantillons avec des impulsions laser de différentes énergies, degrés et directions de polarisation.

    Ils ont découvert que les impulsions à polarisation circulaire, en particulier celles qui tournaient dans le sens des aiguilles d’une montre, étaient beaucoup plus efficaces pour produire des harmoniques élevées à partir des surfaces des autoroutes que des parties isolantes du matériau. « La différence entre les deux était énorme », a déclaré Heide, afin que l’équipe puisse facilement distinguer les deux États.

    Alors que les échantillons purs étaient des TI classiques, le matériau a commencé à perdre ses capacités topologiques à un niveau d’impureté d’environ 4 % et les a perdues au total de 20 %. À ce stade, le matériau était un isolant ordinaire.

    Les impulsions laser ultracourtes utilisées dans cette étude – environ 100 femtosecondes, ou millionièmes de milliardième de seconde, de long – traversent l’échantillon sans l’endommager et peuvent être réglées pour sonder n’importe quel point à l’intérieur, a déclaré Heide :  » C’est un très gros avantage. »

    Et comme un appareil photo avec une vitesse d’obturation ultra-rapide, cette configuration laser relativement petite et abordable devrait être capable d’observer les caractéristiques de la transition topologique, ainsi que d’autres propriétés et processus électroniques, avec des détails beaucoup plus fins et à mesure qu’ils changent en temps réel. temps, dit Ghimire.

    « C’est une possibilité qui rend cette méthode tout optique intéressante et lui donne un large éventail d’applications potentielles », a-t-il déclaré, « et c’est quelque chose que nous prévoyons d’explorer dans de futures expériences. »

    Des chercheurs de SSRL, du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) et de l’Université Harvard ont également contribué à ce travail, et une équipe de l’Université Rutgers a préparé les échantillons utilisés dans les expériences. L’étude a été financée principalement par le DOE Office of Science. SSRL est une installation utilisateur du DOE Office of Science.

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