Los científicos de MPQ / LMU diseñan un nuevo interferómetro para sondear la geometría de las estructuras de banda.
La geometría y la topología de los estados electrónicos en los sólidos desempeña un papel central en una amplia gama de sistemas modernos de materia condensada, incluidos el grafeno o los aislantes topológicos. Sin embargo, el acceso experimental a esta información ha resultado ser un desafío, especialmente cuando las bandas no están bien-aislados uno del otro. Como se informó en la edición de la semana pasada de ciencia , un equipo internacional de investigadores que trabajan con T. Li, Prof. I. Bloch y el Dr. U. Schneider de la Ludwig-Maximilians-Universität Munich y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica han ideado un método sencillo para sondear la bandageometría que utiliza átomos ultrafríos en una red óptica. Su método, que combina la dirección controlada de átomos a través de las bandas de energía con interferometría atómica, es un paso importante en el esfuerzo por investigar fenómenos geométricos y topológicos en estructuras de bandas sintéticas.
Una amplia gama de fenómenos fundamentales en la física de la materia condensada, como por qué algunos materiales son aislantes mientras que otros son metales, puede entenderse simplemente examinando las energías de los electrones constituyentes del material. De hecho, la teoría de bandas, que describe estas energías de electrones,fue uno de los primeros triunfos de la mecánica cuántica y ha impulsado gran parte de los avances tecnológicos de nuestro tiempo, desde los chips de computadora en nuestras computadoras portátiles hasta las pantallas de cristal líquido en nuestros teléfonos inteligentes. Ahora sabemos, sin embargo, que la teoría de bandas tradicional está incompleta.
Entre los desarrollos más sorprendentes y fructíferos en la física moderna de la materia condensada se dio cuenta de que hay más que las energías; más bien, la estructura geométrica de las bandas también juega un papel importante. Esta información geométrica es responsable de gran parte de lo exóticoLa física de los materiales recientemente descubiertos, como el grafeno o los aislantes topológicos, subyace a una gran variedad de posibilidades tecnológicas emocionantes, desde la espintrónica hasta la computación cuántica topológica. Sin embargo, es muy difícil acceder experimentalmente.
Ahora, un equipo internacional de investigadores, con experimentos realizados en la Ludwig-Maximilians-Universität Munich y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, ha ideado un método sencillo para sondear la geometría de la banda usando átomos ultrafríos en una red óptica, un material sintéticocristal formado a partir de ondas estacionarias de luz. Su método se basa en la creación de un sistema que puede ser descrito por una cantidad conocida como la línea de Wilson.
Aunque originalmente formulado en el contexto de la cromodinámica cuántica, las líneas de Wilson también describen sorprendentemente la evolución de estados cuánticos degenerados, es decir, estados cuánticos con la misma energía. Aplicados a sistemas de materia condensada, los elementos de la línea Wilson codifican directamente la estructura geométricade las bandas. Por lo tanto, para acceder a la geometría de la banda, los investigadores solo necesitan acceder a los elementos de línea de Wilson.
El problema, sin embargo, es que las bandas de un sólido generalmente no se degeneran. Los investigadores se dieron cuenta de que había una solución alternativa: cuando se movían lo suficientemente rápido en el espacio de momento, los átomos ya no sienten el efecto de las bandas de energía ysondear solo la información geométrica esencial. En este régimen, dos bandas con dos energías diferentes se comportan como dos bandas con la misma energía.
En su trabajo, los investigadores primero enfriaron los átomos hasta la degeneración cuántica. Luego, los átomos se colocaron en una red óptica formada por rayos láser para realizar un sistema que imita el comportamiento de los electrones en un sólido, pero sin las complejidades añadidas de los materiales reales.Además de ser excepcionalmente limpias, las redes ópticas son altamente sintonizables: se pueden crear diferentes tipos de estructuras de red cambiando la intensidad o la polarización de la luz. En su experimento, los investigadores interfirieron tres haces láser para formar un grafenoenrejado de panal.
Aunque se extienden por todos los sitios de la red, los átomos degenerados cuánticos llevan un impulso bien definido en el cristal de luz. Luego, los investigadores aceleraron rápidamente los átomos a un momento diferente y midieron la cantidad de excitaciones que crearon. Cuando la aceleración es rápidasuficiente, de modo que el sistema es descrito por la línea Wilson, esta medición directa revela cómo la función de onda electrónica en el segundo momento difiere de la función de onda en el primer momento. La repetición del mismo experimento en muchos momentos de cristal diferentes produciría un mapa completo de cómolas funciones de onda cambian en todo el espacio de impulso del sólido artificial.
Los investigadores no solo confirmaron que era posible mover los átomos de tal manera que la dinámica fuera descrita por las líneas de Wilson de dos bandas; también revelaron tanto las propiedades geométricas locales como la estructura topológica global de las bandas.Se sabe que dos bandas de la red de nido de abeja no son topológicas, los resultados demuestran que las líneas de Wilson pueden usarse experimentalmente para sondear y revelar la geometría y la topología de la banda en estos nuevos entornos sintéticos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Óptica Cuántica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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