Få fotoner til at spille pænt med elektroner

Forskere ved MIT har haft held med at få fotoner og elektroner til at danse sammen på overfladen af ​​en usædvanlig type materiale kaldet en topologisk isolator. Denne type kobling var blevet forudsagt af teoretikere, men aldrig før observeret.

Nuh Gedik med elektronspektrometeret, som han og hans team brugte til at studere elektronadfærd.

Forskerne foreslår, at dette fund kunne gøre det muligt at skabe materialer, hvis elektroniske egenskaber kan indstilles i realtid, blot ved at skinne præcise laserstråler mod dem. Værket åbner op for en ny vej for optisk manipulation af kvantetilstande af stof, siger Nuh Gedik, lektor i fysik og seniorforfatter til en artikel i Videnskab der beskriver det nye arbejde.

Gedik og hans team skød ekstremt korte pulser af mellem-infrarødt laserlys - der kun varede et par hundrede femtosekunder eller milliontedele af en milliardtedel af et sekund - på en prøve af den topologiske isolator, et fast krystallinsk materiale. De observerede resultaterne med et elektronspektrometer, et specialiseret højhastighedskamera.

Hvad de så, da de pulserende fotoner blandes med de eksotiske elektroner på materialets overflade, demonstrerede eksistensen af ​​en kvantemekanisk blanding kendt som en Floquet-Bloch-tilstand. Bloch-tilstande (som beskriver den regelmæssige, gentagne bevægelse af elektroner i en krystal) er periodiske i rummet. Floquet-tilstande (som beskriver, hvordan fotoner interagerer med stof) er periodiske i tid. At få elektroner og fotoner til at interagere på en sammenhængende måde genererer Floquet-Bloch-tilstanden, som er periodisk i både tid og rum.

Højhastighedskameraet tog snapshots af den aldrig før sete tilstand fra dens generation til dens forsvinden, en proces, der kun varer et par hundrede femtosekunder. Forskerne fandt også ud af, at materialets adfærd ændrede sig, da lysets polarisering ændrede sig.

Deres resultater tyder på, at det er muligt at ændre et materiales elektroniske egenskaber - for eksempel at ændre det fra en leder til en halvleder - blot ved at udstråle det med lys polariseret på en bestemt måde. Normalt skal man gøre noget voldsomt ved det for at producere så dramatiske ændringer i et materiales egenskaber, siger Gedik. Men i dette tilfælde kan det være muligt at gøre dette blot ved at skinne lys på det.

Det vil tage noget tid at vurdere mulige ansøgninger, siger Gedik. Men han foreslår, at dette kunne være en måde at konstruere materialer til specifikke funktioner på. Antag, at du vil have et materiale til at gøre noget - at lede elektricitet eller for eksempel at være gennemsigtigt, siger han. Det gør vi normalt med kemiske midler. Med denne nye metode kan et glimt af laserlys være alt, hvad der er nødvendigt.

skjule