Få fotoner att spela snyggt med elektroner

Forskare vid MIT har lyckats få fotoner och elektroner att dansa tillsammans på ytan av en ovanlig typ av material som kallas en topologisk isolator. Denna typ av koppling hade förutspåtts av teoretiker men aldrig tidigare observerats.

Nuh Gedik med elektronspektrometern som han och hans team använde för att studera elektronbeteende.

Forskarna föreslår att detta fynd skulle kunna göra det möjligt att skapa material vars elektroniska egenskaper kan ställas in i realtid, helt enkelt genom att lysa exakta laserstrålar mot dem. Arbetet öppnar upp en ny väg för optisk manipulation av materiens kvanttillstånd, säger Nuh Gedik, docent i fysik och senior författare till en artikel i Vetenskap som beskriver det nya verket.

Gedik och hans team sköt extremt korta pulser av mellaninfrarött laserljus – som bara varade några hundra femtosekunder, eller miljondelar av en miljarddels sekund – på ett prov av den topologiska isolatorn, ett fast kristallint material. De observerade resultaten med en elektronspektrometer, en specialiserad höghastighetskamera.

Det de såg när de pulserade fotonerna blandades med de exotiska elektronerna på materialets yta visade att det fanns en kvantmekanisk blandning känd som ett Floquet-Bloch-tillstånd. Bloch-tillstånd (som beskriver den regelbundna, upprepade rörelsen av elektroner i en kristall) är periodiska i rymden. Floquet-tillstånd (som beskriver hur fotoner interagerar med materia) är periodiska i tiden. Att få elektroner och fotoner att interagera på ett sammanhängande sätt genererar Floquet-Bloch-tillståndet, som är periodiskt i både tid och rum.

Höghastighetskameran fångade ögonblicksbilder av det aldrig tidigare skådade tillståndet från dess generation till dess försvinnande, en process som bara varade några hundra femtosekunder. Forskarna fann också att materialets beteende förändrades när ljusets polarisering förändrades.

Deras resultat tyder på att det är möjligt att ändra de elektroniska egenskaperna hos ett material - till exempel att ändra det från en ledare till en halvledare - bara genom att stråla det med ljus polariserat på ett speciellt sätt. Normalt, för att åstadkomma sådana dramatiska förändringar i ett materials egenskaper, måste man göra något våldsamt mot det, säger Gedik. Men i det här fallet kan det vara möjligt att göra detta bara genom att lysa på det.

Det kommer att ta lite tid att bedöma eventuella ansökningar, säger Gedik. Men, föreslår han, detta kan vara ett sätt att konstruera material för specifika funktioner. Anta att du vill att ett material ska göra något — att leda elektricitet eller att vara transparent, till exempel, säger han. Vi brukar göra detta på kemisk väg. Med denna nya metod kan en blixt av laserljus vara allt som behövs.

Dölj