Les physiciens ont tenté d’identifier des stratégies fiables pour manipuler les états quantiques dans les matériaux à l’état solide, les atomes froids et d’autres systèmes, car cela pourrait éclairer le développement de nouvelles technologies. L’une de ces stratégies est l’ingénierie Floquet, qui implique la commande périodique d’états quantiques de la matière.
Des chercheurs de l’Université Tsinghua, de l’Université Beihang et de l’Académie chinoise des sciences en Chine ont récemment démontré la réalisation expérimentale de l’ingénierie des bandes de Floquet dans un semi-conducteur modèle, à savoir le phosphore noir. Leur article, publié dans Naturepourraient éclairer les futurs efforts de recherche explorant l’ingénierie Floquet des matériaux semi-conducteurs et essayant de réaliser des phénomènes émergents induits par la lumière, tels que les transitions de phase topologiques induites par la lumière.
« L’interaction lumière-matière joue un rôle essentiel dans la physique expérimentale de la matière condensée et les sciences des matériaux, non seulement en tant que sondes expérimentales pour révéler la physique sous-jacente des matériaux quantiques de faible dimension, mais plus important encore, en tant que boutons de commande efficaces pour manipuler les structures électroniques et les états quantiques. dans l’état de non-équilibre », a déclaré Shuyun Zhou, qui a initié et dirigé cette recherche, à Phys.org.
« Un tel contrôle de non-équilibre offre des opportunités fascinantes d’induire de nouveaux phénomènes physiques au-delà de ceux de l’état d’équilibre. Dans cette ligne, l’adaptation des états quantiques de la matière à travers des champs périodiques (c’est-à-dire l’ingénierie Floquet) a suscité un intérêt considérable au cours des dernières décennies. . »
Des études antérieures ont appliqué l’ingénierie Floquet aux systèmes de matière condensée, aux atomes froids et aux réseaux optiques. Des travaux théoriques ont également prédit des phénomènes intrigants basés sur l’ingénierie Floquet, tels que les transitions de phase topologiques induites par la lumière. Les preuves expérimentales de l’ingénierie Floquet sont cependant encore relativement rares.
« De nombreuses questions fondamentales restent sans réponse grâce aux résultats expérimentaux », a déclaré Zhou. « Par exemple, l’ingénierie Floquet peut-elle être réalisée dans un semi-conducteur dans des conditions expérimentales réalistes ? Il est important de répondre à cette question car les semi-conducteurs sont largement utilisés pour les dispositifs électroniques et optoélectroniques. »
Depuis plusieurs années, Zhou et ses collègues tentent d’identifier des méthodes et des conditions expérimentales favorables pour étudier les phénomènes émergents induits par la lumière et réaliser l’ingénierie Floquet dans les semi-conducteurs. Cela peut être particulièrement difficile, car l’ingénierie Floquet nécessite une faible énergie photonique et un fort champ électrique de crête.
Pour répondre à ces exigences, les chercheurs ont développé des instruments qui appliquent des impulsions de pompage à haute intensité dans l’infrarouge moyen. Dans leurs expériences, ils ont combiné ces outils avec une mesure de pointe connue sous le nom de spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle (TrARPES).
« Nous avons choisi un échantillon de semi-conducteur presque idéal pour commencer – du phosphore noir de haute qualité avec une petite bande interdite et une mobilité élevée, ce qui pourrait être favorable à la réalisation de l’ingénierie Floquet », a déclaré Zhou. « L’aspect le plus difficile de notre étude est qu’il s’agit encore d’un domaine largement inexploré, et on ne sait pas quelles conditions expérimentales (énergie des photons de pompe, polarisations de pompe, etc.) sont favorables pour induire une manipulation induite par la lumière de la structure électronique. Il c’est comme chercher dans le noir, et il nous a fallu plusieurs années avant d’observer quelque chose. »
Zhou et ses collègues ont finalement pu observer la modulation de la structure de la bande de Floquet transitoire induite par la lumière dans le phosphore noir en ajustant systématiquement l’énergie des photons, la polarisation et le délai dans leur échantillon. Il s’agit de la première démonstration expérimentale de l’ingénierie des bandes de Floquet dans un semi-conducteur.
« Notre travail fournit des informations importantes sur l’ingénierie Floquet des semi-conducteurs, soulignant l’importance du pompage par résonance », a déclaré Zhou. « Alors que les transitions optiques ont été classiquement considérées comme préjudiciables aux états de Floquet, nos travaux montrent qu’en effet pour un semi-conducteur, le pompage par résonance pourrait être favorable et même critique pour l’ingénierie des bandes de Floquet. Cette découverte surprenante ouvre une voie pour rechercher l’ingénierie de Floquet dans les matériaux quantiques. . »
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs constituent une étape importante vers la réalisation de la transition de phase topologique induite par la lumière, un objectif clé dans le domaine de la physique quantique. Leurs découvertes pourraient ainsi bientôt ouvrir la voie à de nouvelles études visant à manipuler de manière transitoire des états topologiques dans des échelles de temps ultrarapides.
Les méthodes expérimentales utilisées par Zhou et ses collègues sont très prometteuses pour réaliser une ingénierie de bande de Floquet renforcée par la symétrie du réseau avec une sélectivité de polarisation de pompe plus forte. Ces méthodes peuvent être utilisées pour activer et désactiver de manière fiable la bande Floquet dans les semi-conducteurs, ce qui pourrait soutenir le développement de nouveaux dispositifs à grande vitesse.
Peizhe Tang, l’un des théoriciens qui ont élaboré la théorie derrière les règles de sélection de pseudospin de l’ingénierie Floquet dans ce travail, a commenté, « ce travail montre clairement que la physique de l’ingénierie Floquet peut être encore enrichie par le pseudospin, un degré quantique de liberté dans analogie avec le spin. »
« Ce travail ouvre une étape importante vers la transition de phase topologique via l’ingénierie Floquet », a ajouté Zhou. « La prochaine étape consisterait à réaliser une transition de phase topologique induite par la lumière ou même à induire une topologie non triviale dans un matériau trivial topologique sur des échelles de temps ultrarapides par l’ingénierie Floquet. De plus, nous aimerions étendre l’ingénierie Floquet à de nombreux autres matériaux à l’état solide. »
Plus d’information:
Shaohua Zhou et al, Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-022-05610-3
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