Physiker haben versucht, zuverlässige Strategien zur Manipulation von Quantenzuständen in Festkörpermaterialien, kalten Atomen und anderen Systemen zu identifizieren, da dies die Entwicklung neuer Technologien beeinflussen könnte. Eine dieser Strategien ist das Floquet-Engineering, das das periodische Antreiben von Quantenzuständen der Materie beinhaltet.
Forscher der Tsinghua-Universität, der Beihang-Universität und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in China haben kürzlich die experimentelle Umsetzung der Floquet-Bandtechnik in einem Modellhalbleiter, nämlich schwarzem Phosphor, demonstriert. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Naturkönnten zukünftige Forschungsbemühungen informieren, die die Floquet-Technik von Halbleitermaterialien untersuchen und versuchen, lichtinduzierte entstehende Phänomene wie lichtinduzierte topologische Phasenübergänge zu realisieren.
„Die Licht-Materie-Wechselwirkung spielt eine entscheidende Rolle in der experimentellen Festkörperphysik und den Materialwissenschaften, nicht nur als experimentelle Sonden zur Aufdeckung der zugrunde liegenden Physik von niedrigdimensionalen Quantenmaterialien, sondern, was noch wichtiger ist, als effektive Steuerknöpfe zur Manipulation der elektronischen Strukturen und Quantenzustände im Nichtgleichgewichtszustand“, sagte Shuyun Zhou, der diese Forschung initiierte und leitete, gegenüber Phys.org.
„Eine solche Nichtgleichgewichtskontrolle bietet die faszinierenden Möglichkeiten, neue physikalische Phänomene jenseits des Gleichgewichtszustands zu induzieren. In diesem Sinne hat die Anpassung der Quantenzustände der Materie durch zeitperiodische Felder (dh Floquet-Engineering) in den letzten Jahrzehnten umfangreiches Interesse geweckt .“
Frühere Studien haben die Floquet-Technik auf Systeme aus kondensierter Materie, kalte Atome und optische Gitter angewendet. Theoretische Arbeiten haben auch faszinierende Phänomene auf der Grundlage der Floquet-Technik vorhergesagt, wie etwa lichtinduzierte topologische Phasenübergänge. Experimentelle Beweise für die Floquet-Technik sind jedoch noch relativ rar.
„Viele grundlegende Fragen müssen noch durch experimentelle Ergebnisse beantwortet werden“, sagte Zhou. „Kann Floquet-Engineering zum Beispiel in einem Halbleiter unter realistischen experimentellen Bedingungen realisiert werden? Die Beantwortung dieser Frage ist wichtig, da Halbleiter für elektronische und optoelektronische Geräte weit verbreitet sind.“
Seit mehreren Jahren versuchen Zhou und seine Kollegen, günstige Methoden und experimentelle Bedingungen für die Untersuchung lichtinduzierter auftretender Phänomene und die Umsetzung der Floquet-Technik in Halbleitern zu identifizieren. Dies kann besonders herausfordernd sein, da die Floquet-Technik eine niedrige Photonenenergie und ein starkes elektrisches Spitzenfeld erfordert.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, entwickelten die Forscher Instrumente, die hochintensive Pumppulse im mittleren Infrarotbereich anwenden. In ihren Experimenten kombinierten sie diese Werkzeuge mit einer hochmodernen Methode, die als zeit- und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (TrARPES) bekannt ist.
„Wir haben uns für den Anfang für eine fast ideale Halbleiterprobe entschieden – hochwertigen schwarzen Phosphor mit einer kleinen Bandlücke und hoher Mobilität, was für die Umsetzung der Floquet-Technik günstig sein könnte“, sagte Zhou. „Der herausforderndste Aspekt unserer Studie ist, dass dies noch ein weitgehend unerforschtes Gebiet ist und nicht klar ist, welche experimentellen Bedingungen (Pumpphotonenenergie, Pumppolarisationen usw.) günstig sind, um eine lichtinduzierte Manipulation der elektronischen Struktur zu induzieren ist wie das Suchen im Dunkeln, und es hat einige Jahre gedauert, bis wir etwas beobachtet haben.“
Zhou und seine Kollegen konnten schließlich die lichtgetriebene transiente Modulation der Floquet-Bandstruktur in schwarzem Phosphor beobachten, indem sie die Photonenenergie, Polarisation und Zeitverzögerung in ihrer Probe systematisch fein abstimmten. Dies ist die erste experimentelle Demonstration der Floquet-Bandtechnik in einem Halbleiter.
„Unsere Arbeit liefert wichtige Einblicke in die Floquet-Technik von Halbleitern und unterstreicht die Bedeutung des Resonanzpumpens“, sagte Zhou. „Während optische Übergänge herkömmlicherweise als schädlich für Floquet-Zustände angesehen wurden, zeigt unsere Arbeit, dass Resonanzpumpen tatsächlich für einen Halbleiter günstig und sogar kritisch für die Floquet-Bandtechnik sein könnte. Diese überraschende Erkenntnis bietet einen Weg für die Suche nach Floquet-Technik in Quantenmaterialien .“
Die jüngste Arbeit dieses Forscherteams ist ein wichtiger Schritt zum Erreichen eines lichtinduzierten topologischen Phasenübergangs, einem Schlüsselziel auf dem Gebiet der Quantenphysik. Ihre Ergebnisse könnten daher bald den Weg für neue Studien ebnen, die darauf abzielen, topologische Zustände in ultraschnellen Zeitskalen vorübergehend zu manipulieren.
Die von Zhou und seinen Kollegen verwendeten experimentellen Methoden sind sehr vielversprechend, um eine durch Gittersymmetrie erzwungene Floquet-Bandtechnik mit einer stärkeren Pumppolarisationsselektivität zu erreichen. Diese Methoden können verwendet werden, um das Floquet-Band in Halbleitern zuverlässig ein- und auszuschalten, was die Entwicklung neuer Hochgeschwindigkeitsgeräte unterstützen könnte.
Peizhe Tang, einer der Theoretiker, der in dieser Arbeit die Theorie hinter den Pseudospin-Auswahlregeln des Floquet-Engineering ausgearbeitet hat, kommentierte: „Diese Arbeit zeigt deutlich, dass die Floquet-Engineering-Physik durch Pseudospin, einen Quantenfreiheitsgrad, weiter bereichert werden kann Analogie zum Spinnen.“
„Diese Arbeit ebnet einen wichtigen Schritt in Richtung eines topologischen Phasenübergangs durch Floquet-Engineering“, fügte Zhou hinzu. „Der nächste Schritt wäre das Erreichen eines lichtinduzierten topologischen Phasenübergangs oder sogar das Induzieren einer nichttrivialen Topologie in einem topologischen trivialen Material auf ultraschnellen Zeitskalen durch die Floquet-Technik. Darüber hinaus möchten wir die Floquet-Technik auf viele weitere Festkörpermaterialien ausdehnen.“
Mehr Informationen:
Shaohua Zhou et al, Pseudospin-selektives Floquet-Band-Engineering in schwarzem Phosphor, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05610-3
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