Pulsurile laser ultracurte deschid o nouă cale pentru studierea geometriei cuantice a electronilor
Cercetătorii de la Universitatea Friedrich Schiller din Jena și Universitatea din Regensburg au dezvoltat o metodă optică pentru determinarea unei proprietăți cuantice a electronilor greu accesibile până acum: curbura Berry. Aceasta descrie anumite proprietăți geometrice ale stărilor mecanice cuantice ale electronilor și influențează modul în care electronii reacționează la lumină sau la câmpuri electrice.
Până în prezent, curbura Berry a fost calculată în principal teoretic sau investigată prin metode experimentale relativ complexe. Echipa din Jena și Regensburg a ales o abordare diferită, combinând măsurătorile optice cu un model analitic, reușind astfel să estimeze cantitativ curbura Berry locală a materialului. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Photonics.
„Am dorit să facem accesibilă o proprietate cuantică care până acum a fost dificil de determinat experimental”, explică autoarea principală Nele Tornow, de la Institutul de Fizică a Stării Solide al Universității din Jena. „Ceea ce face specială abordarea noastră este că îmbinăm un experiment optic cu un model teoretic pentru a obține o valoare concretă a curburii Berry.”
Pentru experiment, cercetătorii au folosit diselenidă de tungsten, un semiconductor al cărui strat investigat are mai puțin de un nanometru grosime. Astfel de materiale atomice subțiri reacționează deosebit de puternic la lumină și sunt potrivite pentru experimente optice neliniare. Echipa a direcționat două pulsuri laser ultracurte spre probă: primul modifică stările electronice ale materialului pentru o fracțiune infimă de secundă, iar al doilea detectează optic această schimbare.
Acest proces produce lumină la o frecvență dublă față de cea a luminii incidente. Din polarizarea sa, cercetătorii obțin informații despre curbura Berry. Efectul se desfășoară în câteva sute de femtosecunde, o femtosecundă reprezentând o milionime de bilionime de secundă. Când echipa schimbă direcția de rotație a primului puls laser polarizat circular, semnul semnalului măsurat se inversează de asemenea. Din datele măsurătorilor, cercetătorii au determinat curbura Berry, care s-a dovedit consistentă cu calculele teoretice.
„Folosind această metodă optică, putem investiga astfel de proprietăți pe scări de timp extrem de scurte”, spune Giancarlo Soavi, de la Institutul de Fizică a Stării Solide și de la Centrul Abbe de Fotonică al Universității din Jena. „Aceasta ne va permite în viitor să urmărim cum se modifică geometria cuantică a unui material în timpul proceselor foarte rapide.”
Deși experimentul a fost demonstrat cu diselenidă de tungsten, echipa de cercetare precizează că abordarea fundamentală nu se limitează la această clasă de materiale. Atât principiul de măsurare, cât și modelul — dezvoltat în colaborare cu cercetători de la Universitatea din Regensburg — pot fi aplicate în principiu și altor materiale. Pe termen lung, metoda ar putea ajuta la investigarea mai detaliată a proprietăților geometrice ale stărilor electronice și la o mai bună înțelegere a comportamentului lor în procese optice rapide.
