Μια νέα μελέτη παρέχει τις πρώτες άμεσες πειραματικές ενδείξεις για την ύπαρξη μιας τοπολογικής κατάστασης Floquet, μιας νέας φάσης της ύλης που μέχρι σήμερα είχε εμφανιστεί κυρίως σε θεωρητικά μοντέλα και προσομοιώσεις.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το ημιαγωγό τελλουρίδιο του κασσίτερου (SnTe) και εξαιρετικά σύντομους παλμούς laser διάρκειας femtosecond, καταφέρνοντας να μεταβάλουν προσωρινά την ηλεκτρονική του δομή χωρίς να αλλάξουν τη χημική σύσταση ή την ατομική δομή του υλικού.
Floquet: Η ύλη αλλάζει συμπεριφορά με το φως
Οι τοπολογικοί μονωτές λειτουργούν ως μονωτές στο εσωτερικό τους, ενώ μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα στην επιφάνειά τους. Η συμπεριφορά αυτή συνδέεται με την τοπολογία των ηλεκτρονικών ζωνών και την κρυσταλλική συμμετρία.
Η τεχνική Floquet engineering χρησιμοποιεί έντονα και γρήγορα μεταβαλλόμενα πεδία φωτός για να αναδιαμορφώσει προσωρινά τις ηλεκτρονικές ιδιότητες ενός υλικού. Τα ηλεκτρόνια δημιουργούν νέες «καταστάσεις Floquet», οι οποίες μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τις κανονικές ηλεκτρονικές ζώνες και να αλλάξουν τη συμπεριφορά του υλικού όσο διαρκεί η επίδραση του φωτός.
Ένα υλικό που μετατρέπεται προσωρινά σε τοπολογικό σύστημα
Το SnTe επιλέχθηκε επειδή βρίσκεται κοντά σε μια τοπολογική μετάβαση. Στις χαμηλές θερμοκρασίες του πειράματος, το υλικό βρίσκεται φυσιολογικά σε μη τοπολογική δομή.
Οι ερευνητές ψύχραναν κρυστάλλους SnTe στους 30 K και χρησιμοποίησαν τη μέθοδο time-resolved angle-resolved photoemission spectroscopy, γνωστή ως TR-ARPES. Ένας σύντομος παλμός laser χρησιμοποιήθηκε για να «αντλήσει» το υλικό, ενώ ένας δεύτερος παλμός χρησιμοποιήθηκε για να καταγράψει την ηλεκτρονική του δομή σε διαφορετικές χρονικές στιγμές.
Όταν οι δύο παλμοί έφτασαν ταυτόχρονα στο δείγμα, εμφανίστηκε ένας Dirac cone μέσα στο bandgap του SnTe. Πρόκειται για χαρακτηριστικό σημάδι μιας τοπολογικής επιφανειακής κατάστασης, το οποίο δεν εμφανίζεται στη φυσιολογική μη τοπολογική μορφή του υλικού.
Η κατάσταση διαρκεί μόλις εκατοντάδες femtoseconds
Περίπου 100 femtoseconds μετά την άφιξη του pump pulse, ο Dirac cone εξαφανίστηκε και η ηλεκτρονική δομή επέστρεψε στην προηγούμενη μορφή της.
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν επιπλέον ελέγχους για να αποκλείσουν άλλες εξηγήσεις. Η εμφάνιση του Dirac cone δεν εξαρτιόταν από την πόλωση του laser, ενώ το φαινόμενο ήταν ισχυρότερο όταν η ενέργεια του φωτός βρισκόταν κοντά στο bandgap του SnTe.
Παράλληλα, οι μετρήσεις έδειξαν ότι τα άτομα του κρυστάλλου δεν μετακινήθηκαν. Αυτό υποδεικνύει ότι η αλλαγή προκλήθηκε από band inversion, δηλαδή από προσωρινή ανταλλαγή της ηλεκτρονικής φύσης των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας.
Το επόμενο βήμα είναι η μεγαλύτερη διάρκεια
Θεωρητικοί υπολογισμοί που βασίστηκαν σε density functional theory και στο πλαίσιο Floquet αναπαρήγαγαν τα βασικά χαρακτηριστικά του φαινομένου, ενισχύοντας την ερμηνεία ότι πρόκειται για μια πραγματική light-induced τοπολογική κατάσταση.
Ωστόσο, η ακριβής τοπολογική φύση της παροδικής κατάστασης δεν έχει ακόμη προσδιοριστεί πλήρως. Οι ερευνητές希望 να δοκιμάσουν την ίδια προσέγγιση σε άλλα υλικά και να εξετάσουν αν μπορεί να γενικευτεί.
Μια σημαντική πρόκληση παραμένει η διατήρηση της κατάστασης για περισσότερο χρόνο, καθώς η χρήση φωτός κοντά στο bandgap προκαλεί απορρόφηση ενέργειας και θέρμανση του υλικού.
