Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory et de l'Université de Stanford ont découvert qu'une concentration intense, la lumière laser polarisée circulairement sur un isolant topologique génère des harmoniques qui peuvent être utilisées pour sonder le comportement des électrons dans la surface topologique du matériau, une sorte d'autoroute électronique où les électrons circulent sans perte. La technique devrait être applicable à une large gamme de matériaux quantiques. Crédit :Greg Stewart, Laboratoire national des accélérateurs SLAC
Les isolants topologiques sont l'un des matériaux quantiques les plus déroutants, une classe de matériaux dont les électrons coopèrent de manière surprenante pour produire des propriétés inattendues. Les bords d'un TI sont des autoroutes d'électrons où les électrons circulent sans perte, en ignorant les impuretés ou autres obstacles sur leur chemin, tandis que la majeure partie du matériau bloque le flux d'électrons.
Les scientifiques ont étudié ces matériaux déroutants depuis leur découverte il y a un peu plus de dix ans dans le but de les exploiter pour des choses comme l'informatique quantique et le traitement de l'information.
Aujourd'hui, des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont inventé un nouveau un moyen sans intervention de sonder les phénomènes les plus rapides et les plus éphémères au sein d'une TI et de distinguer clairement ce que ses électrons font sur les bords des autoroutes de ce qu'ils font partout ailleurs.
La technique tire parti d'un phénomène appelé génération d'harmoniques élevées, ou HHG, qui déplace la lumière laser vers des énergies et des fréquences plus élevées, un peu comme le fait d'appuyer sur une corde de guitare produit une note plus élevée, en la faisant briller à travers un matériau. En faisant varier la polarisation de la lumière laser entrant dans un TI et en analysant la lumière décalée sortant, les chercheurs ont reçu des signaux forts et distincts qui leur ont dit ce qui se passait dans chacun des deux domaines contrastés du matériau.
"Ce que nous avons découvert, c'est que la lumière qui sort nous donne des informations sur les propriétés des surfaces des autoroutes, " dit Shambhu Ghimire, chercheur principal au Stanford PULSE Institute au SLAC, où les travaux ont été effectués. "Ce signal est assez remarquable, et sa dépendance à la polarisation de la lumière laser est radicalement différente de ce que nous voyons dans les matériaux conventionnels. Nous pensons que nous avons une approche potentiellement nouvelle pour initier et sonder des comportements quantiques qui sont censés être présents dans une large gamme de matériaux quantiques. »
L'équipe de recherche a présenté les résultats en Examen physique A aujourd'hui.
Lumière dedans, éteindre
A partir de 2010, une série d'expériences dirigées par Ghimire et le directeur de PULSE, David Reis, ont montré que le HHG peut être produit de manières qui étaient auparavant considérées comme improbables, voire impossibles :en projetant de la lumière laser dans un cristal, un gaz d'argon congelé ou un matériau semi-conducteur atomiquement mince. Une autre étude a décrit comment utiliser HHG pour générer des impulsions laser attosecondes, qui peut être utilisé pour observer et contrôler les mouvements des électrons, en faisant briller un laser à travers du verre ordinaire.
En 2018, Denitsa Baykusheva, un boursier du Fonds national suisse de la recherche scientifique avec une formation en recherche HHG, a rejoint le groupe PULSE en tant que chercheur postdoctoral. Son objectif était d'étudier le potentiel de génération de HHG dans des isolants topologiques, la première étude de ce type dans un matériau quantique. "Nous voulions voir ce qui arrive à l'impulsion laser intense utilisée pour générer HHG, " a-t-elle dit. " Personne n'avait concentré une lumière laser aussi puissante sur ces matériaux auparavant. "
La lumière laser est généralement polarisée linéairement, ce qui signifie que ses ondes oscillent dans une seule direction - de haut en bas, dans l'exemple à gauche. Mais il peut aussi être polarisé circulairement, à droite, ainsi ses ondes spiralent comme un tire-bouchon autour de la direction dans laquelle se déplace la lumière. Une nouvelle étude du SLAC National Accelerator Laboratory et de l'Université de Stanford prédit que cette lumière polarisée circulairement peut être utilisée pour explorer les matériaux quantiques d'une manière qui n'était pas possible auparavant. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Mais au milieu de ces expériences, la pandémie de COVID-19 a frappé et le laboratoire a fermé en mars 2020 pour toutes les recherches, sauf essentielles. L'équipe a donc dû réfléchir à d'autres moyens de progresser, dit Baykusheva.
« Dans un nouveau domaine de recherche comme celui-ci, théorie et expérimentation doivent aller de pair, " a-t-elle expliqué. " La théorie est essentielle pour expliquer les résultats expérimentaux et aussi pour prédire les pistes les plus prometteuses pour les expériences futures. Nous nous sommes donc tous transformés en théoriciens » – d'abord en travaillant avec un stylo et du papier, puis en écrivant du code et en effectuant des calculs pour alimenter les modèles informatiques.
Un résultat éclairant
A leur grande surprise, les résultats ont prédit que la lumière laser polarisée circulairement, dont les ondes spiralent autour de la poutre comme un tire-bouchon, pourrait être utilisé pour déclencher HHG dans des isolants topologiques.
"L'une des choses intéressantes que nous avons observées est que la lumière laser à polarisation circulaire est très efficace pour générer des harmoniques à partir des surfaces d'autoroute de l'isolant topologique, mais pas du reste, " Baykusheva a déclaré. "C'est quelque chose de très unique et spécifique à ce type de matériau. Il peut être utilisé pour obtenir des informations sur les électrons qui voyagent sur les autoroutes et ceux qui ne le font pas, et il peut également être utilisé pour explorer d'autres types de matériaux qui ne peuvent pas être sondés avec une lumière polarisée linéairement."
Les résultats présentent une recette pour continuer à explorer HHG dans les matériaux quantiques, dit Reis, qui est co-auteur de l'étude.
« Il est remarquable qu'une technique qui génère des champs forts et potentiellement perturbateurs, qui prend des électrons dans le matériau et les bouscule et les utilise pour sonder les propriétés du matériau lui-même, peut vous donner un signal si clair et robuste sur les états topologiques du matériau, " il a dit.
"Le fait que nous puissions voir n'importe quoi est incroyable, sans parler du fait que nous pourrions potentiellement utiliser cette même lumière pour modifier les propriétés topologiques du matériau."
Les expérimentations au SLAC ont repris de manière limitée, Reis ajouté, et les résultats du travail théorique ont donné à l'équipe une nouvelle confiance qu'ils savent exactement ce qu'ils recherchent.
