Jak sprawić, by fotony ładnie grały z elektronami

Naukowcom z MIT udało się sprawić, że fotony i elektrony tańczą razem na powierzchni niezwykłego rodzaju materiału zwanego izolatorem topologicznym. Ten rodzaj sprzężenia był przewidywany przez teoretyków, ale nigdy wcześniej nie zaobserwowano.

Nuh Gedik ze spektrometrem elektronowym, którego on i jego zespół używali do badania zachowania elektronów.

Naukowcy sugerują, że odkrycie to może umożliwić tworzenie materiałów, których właściwości elektroniczne można dostrajać w czasie rzeczywistym, po prostu kierując na nie precyzyjnymi wiązkami laserowymi. Praca otwiera nową drogę do optycznej manipulacji kwantowymi stanami materii, mówi Nuh Gedik, profesor nadzwyczajny fizyki i starszy autor artykułu w Nauka który opisuje nową pracę.

Gedik i jego zespół wystrzelili niezwykle krótkie impulsy światła laserowego w średniej podczerwieni — trwające zaledwie kilkaset femtosekund, czyli milionowych części miliardowych sekundy — w próbkę izolatora topologicznego, stałego materiału krystalicznego. Obserwowali wyniki za pomocą spektrometru elektronowego, specjalistycznej szybkiej kamery.

To, co zobaczyli, gdy pulsujące fotony zmieszały się z egzotycznymi elektronami na powierzchni materiału, wykazało istnienie mieszaniny kwantowo-mechanicznej znanej jako stan Floqueta-Blocha. Stany Blocha (które opisują regularny, powtarzalny ruch elektronów w krysztale) są okresowe w przestrzeni. Stany Floquet (które opisują interakcje fotonów z materią) są okresowe w czasie. Doprowadzenie elektronów i fotonów do spójnej interakcji generuje stan Floqueta-Blocha, który jest okresowy zarówno w czasie, jak iw przestrzeni.

Szybka kamera rejestrowała ujęcia niewidzianego wcześniej stanu od momentu powstania do zniknięcia, proces trwający zaledwie kilkaset femtosekund. Naukowcy odkryli również, że zachowanie materiału zmieniło się, gdy zmieniła się polaryzacja światła.

Ich odkrycia sugerują, że można zmienić właściwości elektroniczne materiału – na przykład zmienić go z przewodnika na półprzewodnik – po prostu poprzez naświetlanie go światłem spolaryzowanym w określony sposób. Zwykle, aby wywołać tak dramatyczne zmiany we właściwościach materiału, trzeba zrobić z nim coś gwałtownego, mówi Gedik. Ale w tym przypadku można to zrobić, po prostu oświetlając go światłem.

Ocena możliwych zastosowań zajmie trochę czasu, mówi Gedik. Sugeruje jednak, że może to być sposób na materiały inżynieryjne do określonych funkcji. Załóżmy, że chcesz, aby materiał coś robił — na przykład przewodził prąd lub był przezroczysty — mówi. Zwykle robimy to za pomocą środków chemicznych. Dzięki tej nowej metodzie wystarczy błysk światła laserowego.

ukryć