Materiały kwantowe to materiały o unikalnych właściwościach elektronicznych, magnetycznych lub optycznych, których podstawą jest zachowanie elektronów na poziomie mechaniki kwantowej. Badania wykazały, że interakcje między tymi materiałami a silnymi polami laserowymi mogą wywoływać egzotyczne stany elektronowe.

W ostatnich latach wielu fizyków próbowało wydobyć i lepiej zrozumieć te egzotyczne stany, używając różnych platform materiałowych. Klasą materiałów, która okazała się szczególnie obiecująca do badania niektórych z tych stanów, są jednowarstwowe dichalkogenki metali przejściowych.

Jednowarstwowe dichalkogenki metali przejściowych to materiały 2D, które składają się z pojedynczych warstw atomów metalu przejściowego (np. wolframu lub molibdenu) i chalkogenu (np. siarki lub selenu), które są ułożone w sieć krystaliczną. Stwierdzono, że materiały te oferują ekscytujące możliwości inżynierii Floquet (technika manipulowania właściwościami materiałów za pomocą laserów) ekscytonów (kwazicząsteczkowe stany skorelowane elektron-dziura).

Naukowcy z SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University i University of Rochester zademonstrowali niedawno inżynierię Floqueta ekscytonów napędzanych silnymi polami w jednowarstwowym dichalkogenku metalu przejściowego. Ich odkrycia, przedstawione w artykule w Fizyka przyrodymoże otworzyć nowe możliwości badania zjawisk ekscytonowych.

„Nasza grupa badała procesy napędzane silnym polem, takie jak generowanie wysokich harmonicznych (HHG) w kryształach 2D poddanych intensywnym polom laserowym średniej podczerwieni” – powiedział Phys Shambhu Ghimire, jeden z badaczy, którzy przeprowadzili badanie. org.

„Jesteśmy bardzo zainteresowani zrozumieniem szczegółowego mechanizmu procesu HHG, a kryształy 2D wydają się być fascynującą platformą do tego, ponieważ są czymś pomiędzy izolowanymi atomami w fazie gazowej a kryształami w masie. W fazie gazowej, proces można zrozumieć, biorąc pod uwagę dynamikę zjonizowanego elektronu pola laserowego i jego rekombinacji z jonem macierzystym”.

Kryształy 2D wystawione na działanie silnych pól laserowych mogą zawierać silnie sterowane ekscytony. W swoich poprzednich badaniach Ghimire i jego współpracownicy badali, czy prowadzenie tych kwazicząstek silnymi polami laserowymi i pomiar wysokich harmonicznych pozwoliłoby im lepiej zrozumieć proces HHG w stanie stałym.

„Chociaż ta poprzednia praca była inspiracją dla naszych badań, zaczęliśmy również mierzyć zmianę absorpcji w tych napędzanych systemach i dowiedzieliśmy się więcej o stanie nierównowagi samego materiału” – wyjaśnił Ghimire. „Rzeczywiście stwierdziliśmy, że wcześniej nie obserwowano cech absorpcji, które można powiązać z tym, co jest znane w literaturze jako stany Floqueta materiałów poddanych silnym okresowym popędom”.

W swoich eksperymentach naukowcy wykorzystali ultraszybkie impulsy laserowe o dużej mocy w zakresie długości fali średniej podczerwieni do jednowarstwowego dwusiarczku wolframu (TMD). Zastosowanie tych ultraszybkich impulsów pozwoliło im uniknąć uszkodzenia próbki, które zwykle wynika z silnych interakcji światła z materią.

Mówiąc dokładniej, energia fotonów impulsów lasera średniej podczerwieni wynosi około 0,31 eV, czyli znacznie poniżej optycznego pasma wzbronionego jednowarstwowych TMD (~2 eV). Dlatego zespół nie spodziewał się zaobserwowania szczególnie dużej generacji nośników ładunku.

„Jednocześnie energia fotonów w naszym układzie jest dostrajana i może rezonować z energiami ekscytonów monowarstwy” – powiedział Ghimire. „Aby wytworzyć nasze próbki materiałów, współpracowaliśmy z zespołem prof. Fanga Liu ze Stanford Chemistry. Ta grupa zapoczątkowała nowe podejście do wytwarzania próbek jednowarstwowych w skali milimetrowej, co było również kluczem do sukcesu tych eksperymentów”.

Yuki Kobayashi, doktor habilitowany, który jest głównym autorem artykułu, powiedział, że ujawnili dwa nowe mechanizmy tworzenia kwantowych stanów wirtualnych w jednowarstwowych TMD. Pierwszy z nich dotyczy stanów Floqueta, które uzyskuje się poprzez mieszanie stanów kwantowych materiałów z fotonami zewnętrznymi, drugi zaś dotyczy tzw. efektu Franza-Keldvsha.

„Odkryliśmy, że pierwotnie ciemny stan ekscytonu może być optycznie jasny przez zmieszanie z pojedynczym fotonem, manifestując się jako oddzielny sygnał absorpcji poniżej optycznego pasma wzbronionego” – powiedział Kobayahsi. „Drugim mechanizmem, który ujawniliśmy, jest dynamiczny efekt Franza-Keldysha. Jest on spowodowany przez zewnętrzne pole laserowe wyzwalające impuls pędu do ekscytonów, co prowadzi do uniwersalnego niebieskiego przesunięcia cech widmowych. Efekt ten zaobserwowano, ponieważ zastosowaliśmy wysokie pole impuls lasera (~0,3 V/nm), który jest wystarczająco silny, aby rozbić parę elektron-dziura”.

Łącząc dwa mechanizmy, które odkryli, Kobayashi i jego współpracownicy byli w stanie osiągnąć dostrojenie energii ponad 100 meV w swojej próbce jednowarstwowych TMD. Te godne uwagi wyniki podkreślają ogromny potencjał tego jednowarstwowego dichalkogenku metalu przejściowego jako platformy do realizacji zjawisk ekscytonowych silnego pola.

„Jednym z pytań bez odpowiedzi w naszej pracy jest reakcja w czasie rzeczywistym zjawisk ekscytonowych silnego pola: jak szybko możemy włączać i wyłączać wirtualne stany kwantowe?” – dodał Gimire. „Spodziewamy się, że wychodząc poza domenę perturbacyjną, możliwe będzie odciśnięcie wzorców oscylacji laserowych fal nośnych w wirtualnych stanach kwantowych, zbliżających się do reżimu subpetahercowego kontroli właściwości optycznych”.

© 2023 Sieć Science X