В последнем продвижении в этом направлении исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета систематически исследовали "фазовый переход", при котором TI теряет свои квантовые свойства и становится просто еще одним обычным изолятором.

Они сделали это, используя спиралевидные лучи лазерного света для генерации гармоник - очень похожих на вибрации натянутой гитарной струны - из материала, который они исследовали. Эти гармоники позволяют легко отличить то, что происходит в слое супермагистрали, от того, что происходит внутри, и увидеть, как одно состояние сменяется другим, сообщили они в Фотоника природы сегодня.

"Гармоники, генерируемые материалом, усиливают эффекты, которые мы хотим измерить, что делает это очень чувствительным способом увидеть, что происходит в TI", - сказал Кристиан Хайде, постдокторский исследователь из Стэнфордского импульсного института в SLAC, который руководил экспериментами.

"И поскольку этот подход, основанный на освещении, может быть реализован в лаборатории с настольным оборудованием, он делает изучение этих материалов проще и доступнее, чем некоторые предыдущие методы".

Эти результаты являются захватывающими, добавил главный исследователь PULSE Шамбху Гимире, потому что они показывают, что у нового метода есть потенциал для наблюдения за переключением TIs между состояниями супермагистрали и изоляции, как это происходит, и в мельчайших деталях - очень похоже на использование камеры с очень быстрой выдержкой.

Долгое путешествие по гармоникам

Это было последним в серии исследований, проведенных Гимайром и директором PULSE Дэвидом Рейсом по генерации высоких гармоник, или HHG, феномену, который переводит лазерный свет на более высокие энергии и частоты, просвечивая его через материал. Частоты смещаются с четкими шагами, как ноты, создаваемые нажатием на гитарную струну.

За последние десять лет их исследовательской группе удалось сделать это в ряде материалов, которые считались маловероятными или даже невозможными кандидатами на HHG, включая кристалл, замороженный газообразный аргон и атомарно тонкий полупроводниковый материал. Они даже смогли генерировать аттосекундные лазерные импульсы - которые длятся всего миллиардную долю миллиардной доли секунды и могут использоваться для наблюдения и управления движением электронов - путем пропускания лазера через обычное стекло.

Четыре года назад постдокторант Деница Байкушева присоединилась к группе PULSE с целью выяснить, возможно ли генерировать HHG в топологических изоляторах - подвиг, который никогда не был достигнут ни в одном квантовом материале. За несколько лет работы команда обнаружила, что да, это можно сделать, но только в том случае, если лазерный луч имеет круговую поляризацию.

И у этого спиралевидного лазерного излучения был бонус: изменяя его поляризацию, они смогли получать сильные отдельные сигналы от поверхности супермагистрали TI и ее заблокированного внутреннего пространства. Это позволило им легко различать, что происходит в этих двух контрастирующих частях материала.

В текущем исследовании они намеревались продемонстрировать, что может сделать новый метод, изменяя состав их материала TI, селенида висмута, и свойства ультракоротких импульсов лазерного света, которыми они воздействуют на него, чтобы увидеть, как каждая комбинация влияет на гармоники, генерируемые материалом.

Спирали встречаются с примесями

Сначала они отправили свои образцы в Стэнфордский источник света синхротронного излучения SLAC (SSRL) для исследования с помощью рентгеновского метода, называемого фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением, или ARPES. Это позволило им сузить общий район, где происходит переход.

Затем, вернувшись в лабораторию, они увеличили изображение, чтобы увидеть больше деталей.

Они подготовили серию образцов селенида висмута - некоторые чистые, а другие содержат различные уровни химической примеси, которая, как известно, влияет на поведение электронов. Некоторые образцы были топологическими изоляторами, а другие - обычными изоляторами.

Затем они воздействуют на образцы лазерными импульсами различной энергии, степени и направления поляризации.

Они обнаружили, что импульсы с круговой поляризацией, особенно те, которые вращаются по спирали по часовой стрелке, гораздо эффективнее создают высокие гармоники от поверхностей супермагистралей, чем от изолирующих частей материала. "Разница между ними была огромной", - сказал Хайде, поэтому команда могла легко отличить эти два состояния друг от друга.

В то время как чистые образцы были классическими TIS, материал начал терять свои топологические свойства при уровне примесей около 4% и полностью потерял их на 20%. На тот момент материал был обычным изолятором.

Ультракороткие лазерные импульсы, использованные в этом исследовании - около 100 фемтосекунд, или миллионных долей миллиардной доли секунды, - проходят прямо через образец, не повреждая его, и могут быть настроены для зондирования любого места внутри него, сказал Хайде: "Это очень большое преимущество".

И подобно камере со сверхбыстрой выдержкой, эта относительно небольшая и доступная лазерная установка должна иметь возможность наблюдать характеристики топологического перехода, а также другие электронные свойства и процессы в гораздо более мелких деталях и по мере их изменения в режиме реального времени, сказал Гимире.

"Это одна из возможностей, которая делает этот полностью оптический метод интересным и дает ему широкий спектр потенциальных применений, - сказал он, - и это то, что мы планируем изучить в будущих экспериментах".

Исследователи из SSRL, Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES) и Гарвардского университета также внесли свой вклад в эту работу, а команда из Университета Ратгерса подготовила образцы, использованные в экспериментах. Исследование финансировалось главным образом Управлением науки Министерства здравоохранения. SSRL - это пользовательское средство Управления науки Министерства здравоохранения.