Lumina cu două culori controlează electronii prin starea topologică tranzitorie a grafenului
Cercetătorii au demonstrat că iluminarea grafenului cu un anumit tip de lumină modifică temporar stările electronice ale materialului, determinând apariția unei stări cunoscute sub numele de izolator topologic Floquet. Aceasta este o stare tranzitorie, în afara echilibrului, creată atunci când un câmp oscilant periodic remodelează structura electronică a unui material, rezultând proprietăți topologice absente în echilibru. În acest studiu, un câmp luminos fundamental a creat starea, în timp ce un al doilea câmp laser cu frecvență dublă a fost folosit pentru a controla electronii din interiorul acesteia.
Studiul, publicat în Nature Physics, se bazează pe demonstrații recente privind modul în care câmpurile luminoase bicirculare cu două culori pot altera proprietățile electronice ale materialelor bidimensionale.
Echipa de cercetători de la Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg, Ludwig Maximilian University of Munich, Technion—Israel Institute of Technology și University of Central Florida a folosit o bandă microscopică de grafen monol strat, crescută pe un substrat de carbură de siliciu și conectată la electrozi de aur. Banda de grafen a fost plasată sub vid înalt la temperatura camerei, în timp ce echipa a direcționat pulsuri laser spre centrul acesteia.
Mai întâi, proba a fost iluminată cu pulsuri laser circular polarizate de 1.550 nm, fiecare de aproximativ 200 de femtosecunde. Acest câmp luminos a modificat temporar structura de benzi electronice a benzii de grafen. Când un câmp luminos circular polarizat interacționează cu grafenul, împinge electronii pe orbite circulare. Deoarece aceste orbite se repetă periodic, ele generează o nouă stare periodică în timp, numită stare Floquet, cu proprietăți diferite față de starea de echilibru a materialului. Pentru a controla electronii în această stare Floquet, cercetătorii au folosit o armonică a câmpului de îmbrăcare, ceea ce le permite să profite pe deplin de periodicitatea sistemului.
Al doilea câmp armonic aplicat probei a avut o frecvență dublă față de lumina originală, rezultând pulsuri de 775 nm cu energie fotonică dublă față de primele pulsuri. Pentru a examina modul în care acest al doilea câmp a condus electronii prin banda de grafen îmbrăcată, cercetătorii au măsurat fotocurenții rezultați prin electrozii de aur conectați. Prin modificarea polarizării și sincronizării relative a celor două câmpuri luminoase, au putut controla intensitatea și direcția fotocurenților.
Au observat dicroism circular al fotocurentului, ceea ce înseamnă că curentul depindea de direcția de rotație a celui de-al doilea câmp luminos, precum și un efect Hall anormal pur optic, în care electronii erau deviați lateral fără aplicarea unui câmp magnetic. Măsurătorile echipei, susținute de calcule, au oferit dovezi ale curenților polarizați pe văi, prin care una dintre cele două văi electronice ale grafenului îmbrăcat contribuia mai puternic la curent decât cealaltă. De asemenea, au arătat că fotocurenții erau sensibili la schimbările care apar în timpul unui singur ciclu de lumină.
Capacitatea de a folosi un al doilea câmp optic pentru a controla electronii în starea Floquet reprezintă un pas important înainte, permițându-le cercetătorilor să manipuleze electronii într-o stare care combină starea materialului cu lumina. Acest lucru deschide numeroase idei noi despre modul în care această stare hibridă materie-lumină ar putea fi proiectată pentru a oferi proprietăți indisponibile într-un material pur, cum ar fi curenții protejați topologic.
Folosind metodele lor experimentale, cercetătorii au reușit să controleze electronii într-o structură de benzi indusă de lumină, în loc să observe doar această structură. Aceleași metode ar putea fi folosite pentru a realiza stări topologice induse de lumină similare în alte materiale. Lucrările anterioare în acest domeniu s-au bazat în mare măsură pe tehnici medii în timp pentru a studia sistemele de neechilibru, ceea ce reprezintă o provocare reală, deoarece împrăștierea și decoerența se produc atât de rapid în multe materiale încât o mare parte din fizica interesantă a stării de neechilibru se pierde în medie. Cercetătorii speră că această lucrare ajută la conectarea ideilor din comunitatea rețelelor de atomi reci cu fizica stării solide.
În viitor, eforturile recente ale echipei ar putea contribui la avansarea diferitelor dispozitive, inclusiv electronice, senzori și instrumente de spectroscopie. Cel mai notabil, acestea ar putea ajuta cercetătorii să creeze, să sondeze și să controleze stări tranzitorii în materiale 2D, ceea ce ar putea fi avantajos pentru dezvoltarea acestor tehnologii. Cercetătorii sunt acum interesați să exploreze modul în care aceste stări hibride materie-lumină ar putea fi folosite pentru a codifica și procesa informații, precum și să studieze dinamica subiacentă a electronilor din interiorul lor.
