Los aislantes topológicos son uno de los materiales cuánticos más desconcertantes: una clase de materiales cuyos electrones cooperan de formas sorprendentes para producir propiedades inesperadas. Los bordes de una TI son superautopistas de electrones donde los electrones fluyen sin pérdida, ignorando cualquier impureza u otros obstáculos.en su camino, mientras que la mayor parte del material bloquea el flujo de electrones.
Los científicos han estudiado estos materiales desconcertantes desde su descubrimiento hace poco más de una década con el objetivo de aprovecharlos para cosas como la computación cuántica y el procesamiento de información.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han inventado una nueva forma de no intervención para sondear los fenómenos más rápidos y efímeros dentro de una TI y distinguir claramente lo que hacen sus electrones en los bordes de la superautopista de lo queestán haciendo en cualquier otro lugar.
La técnica aprovecha un fenómeno llamado alta generación de armónicos, o HHG, que desplaza la luz láser a energías más altas y frecuencias más altas, al igual que presionar una cuerda de guitarra produce una nota más alta, al hacerla brillar a través de un material.la polarización de la luz láser que entra en un TI y al analizar la luz desplazada que sale, los investigadores obtuvieron señales fuertes y separadas que les dijeron lo que estaba sucediendo en cada uno de los dos dominios contrastantes del material
"Lo que descubrimos es que la luz que sale nos da información sobre las propiedades de las superficies de las superautopistas", dijo Shambhu Ghimire, investigador principal del Instituto Stanford PULSE en SLAC, donde se llevó a cabo el trabajo. "Esta señales bastante notable, y su dependencia de la polarización de la luz láser es dramáticamente diferente de lo que vemos en los materiales convencionales. Creemos que tenemos un enfoque potencialmente novedoso para iniciar y sondear comportamientos cuánticos que se supone que están presentes en una amplia gama demateriales cuánticos. "
El equipo de investigación informó los resultados en Revisión física A hoy.
Luz adentro, luz apagada
A partir de 2010, una serie de experimentos dirigidos por Ghimire y el director de PULSE, David Reis, demostraron que la HHG se puede producir de formas que antes se creían improbables o incluso imposibles: mediante el haz de luz láser en un cristal, un gas argón congelado o una sustancia atómica delgada.material semiconductor. Otro estudio describió cómo usar HHG para generar pulsos de láser de attosegundos, que se pueden usar para observar y controlar los movimientos de los electrones, haciendo brillar un láser a través de un vidrio ordinario.
En 2018, Denitsa Baykusheva, becaria de la Swiss National Science Foundation con experiencia en la investigación de HHG, se unió al grupo PULSE como investigadora postdoctoral. Su objetivo era estudiar el potencial para generar HHG en aislantes topológicos, el primer estudio de este tipo enun material cuántico. "Queríamos ver qué pasa con el pulso láser intenso utilizado para generar HHG", dijo. "Nadie había enfocado una luz láser tan fuerte en estos materiales antes".
Pero a mitad de esos experimentos, la pandemia de COVID-19 golpeó y el laboratorio se cerró en marzo de 2020 para realizar todas las investigaciones, excepto las esenciales. Por lo tanto, el equipo tuvo que pensar en otras formas de avanzar, dijo Baykusheva.
"En una nueva área de investigación como esta, la teoría y el experimento tienen que ir de la mano", explicó. "La teoría es esencial para explicar los resultados experimentales y también predecir las vías más prometedoras para experimentos futuros. Así que todos decidimosnosotros mismos en teóricos "- primero trabajando con lápiz y papel y luego escribiendo código y haciendo cálculos para alimentar modelos de computadora.
Un resultado esclarecedor
Para su sorpresa, los resultados predijeron que la luz láser polarizada circularmente, cuyas ondas giran en espiral alrededor del rayo como un sacacorchos, podría usarse para activar HHG en aislantes topológicos.
"Una de las cosas interesantes que observamos es que la luz láser polarizada circularmente es muy eficiente para generar armónicos de las superficies de la superautopista del aislante topológico, pero no del resto", dijo Baykusheva. "Esto es algo muy único yespecífico para este tipo de material. Se puede utilizar para obtener información sobre los electrones que viajan por las superautopistas y los que no, y también se puede utilizar para explorar otros tipos de materiales que no se pueden probar con luz polarizada linealmente."
Los resultados establecen una receta para continuar explorando la HHG en materiales cuánticos, dijo Reis, coautor del estudio.
"Es notable que una técnica que genera campos fuertes y potencialmente disruptivos, que toma electrones en el material y los empuja y los usa para sondear las propiedades del material en sí, puede brindarle una señal tan clara y robusta sobre el material.estados topológicos ", dijo.
"El hecho de que podamos ver cualquier cosa es asombroso, sin mencionar el hecho de que podríamos usar esa misma luz para cambiar las propiedades topológicas del material".
Los experimentos en SLAC se han reanudado de forma limitada, agregó Reis, y los resultados del trabajo teórico le han dado al equipo una nueva confianza de que saben exactamente lo que están buscando.
Investigadores de la Iniciativa de Investigación Max Planck POSTECH / KOREA también contribuyeron a este informe. Los principales fondos para el estudio provinieron de la Oficina de Ciencias del DOE y la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Acelerador DOE / SLAC . Original escrito por Glennda Chui. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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