원편광 레이저 광에 대한 양자 물질의 독특한 반응을 확인하는 실험

레이저는 일반적으로 선형 편광됩니다. 즉, 레이저의 광파는 왼쪽 예에서 위아래로 한 방향으로만 진동합니다. 그러나 오른쪽의 경우 원형 편광되어 빛이 전파되는 방향을 중심으로 파도가 코르크 따개처럼 회전할 수도 있습니다. SLAC와 스탠포드 대학의 새로운 연구에서는 원형 편광이 이전에는 불가능했던 방식으로 양자 물질을 탐색할 수 있다고 예측합니다. 출처: Greg Stewart/SLAC 국립 가속기 연구소

작년 초 코로나19 대유행으로 인해 에너지부 SLAC 국립 가속기 연구소의 실험이 중단되었을 때 Shambhu Ghimire의 연구 그룹은 다른 방법을 찾아야 했습니다. 흥미로운 연구 대상을 연구하십시오. 표면에서는 전기를 전도할 수 있지만 내부에서는 전기를 전도할 수 없는 위상 절연체(TI)라고 불리는 양자 물질입니다.

스위스 국립 과학 재단(Swiss National Science Foundation) 연구원 Denitsa Baykusheva는 2년 전 스탠포드 펄스 연구소(Stanford Pulse Institute)의 팀에 합류하여 이러한 물질에서 고조파(HHG)를 생성하여 동작을 연구하는 방법을 찾는 것을 목표로 삼았습니다. 도구. HHG에서는 물질을 통해 빛나는 레이저 빛이 고조파라고 불리는 더 높은 에너지와 더 높은 주파수로 변환됩니다. 마치 기타 줄을 누르면 더 높은 음조가 생성되는 것과 같습니다. TI는 스핀트로닉스, 양자 감지, 양자 컴퓨팅과 같은 기술의 초석이며, 이를 수행할 수 있다면 과학자들에게 이러한 물질과 기타 양자 물질을 연구할 수 있는 새로운 도구를 제공할 것입니다.

실험이 중간에 중단되자 그녀와 동료들은 이론과 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 위상 절연체에서 HHG를 생성하는 새로운 방법을 찾아냈습니다. 결과는 레이저 빔 방향으로 회전된 원형 편광이 전도성 표면과 TI(즉, 비스무트 셀레나이드) 내부에서 명확하고 고유한 신호를 생성하여 실제로 표면의 신호를 향상시키는 것으로 나타났습니다.

위 이미지는 원형 편광 레이저(위)가 표면에서는 전기를 전도하지만 내부에서는 전기를 전도하지 않는 양자 물질인 위상 절연체(검은색)를 어떻게 조사할 수 있는지 보여줍니다. 빛은 재료의 전자가 날아가서 재결합하고 고조파 생성이라는 과정을 통해 더 높은 에너지와 주파수의 빛(흰색)을 방출하게 합니다. 방출된 빛을 분석함으로써 과학자들은 물질 내 전자의 스핀과 운동량을 측정할 수 있습니다. SLAC의 실험을 통해 이러한 신호가 토폴로지 표면의 유일한 특징임을 확인했습니다. 출처: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Baykusheva는 실험실이 실험을 위해 다시 문을 열었을 때 코로나19에 대한 안전 예방조치를 마련하면서 처음으로 공식 테스트를 시작했습니다. 오늘 Nano Letters에 발표된 논문에서 팀은 테스트가 예상대로 정확하게 작동하여 토폴로지 표면에서 최초의 고유한 서명을 생성했다고 보고했습니다.

PULSE의 수석 조사관인 Ghimire는 "이 물질은 우리가 시도한 다른 물질과 매우 다르게 보입니다."라고 말했습니다. "다른 어떤 물질보다 광학적으로 다르게 반응하는 새로운 종류의 물질을 찾을 수 있다는 것은 정말 흥미로운 일입니다."

지난 12년 동안 Ghimire와 PULSE 이사 David Reis는 이를 입증하는 일련의 실험을 수행했습니다. HHG는 이전에는 불가능하거나 심지어 불가능하다고 생각되었던 방식, 즉 결정, 냉동 아르곤 가스 또는 원자적으로 얇은 반도체 재료에 레이저 광을 발사하여 생산할 수 있습니다. 또 다른 연구에서는 HHG를 사용하여 아토초 레이저 펄스를 생성하는 방법을 설명합니다. 이 펄스는 일반 유리에 레이저 빛을 비추어 전자의 움직임을 관찰하고 제어하는 ​​데 사용할 수 있습니다.

이 화살표 패턴은 위상 절연체 표면의 전자 스핀과 운동량의 조합을 반영합니다. 위상적 절연체는 내부가 아닌 표면에서 전류를 전도하는 양자 물질입니다. SLAC의 실험에서는 원형 편광 레이저 광이 이 스핀 편광과 결합하여 토폴로지 표면의 특징인 고유한 고조파 생성 모드를 생성한다는 사실을 발견했습니다. 출처: Denitsa Baykusheva/Stanford PULSE Institute

그러나 양자 물질은 이러한 방식으로 분석되는 것을 거부하며 위상 절연체의 분할 특성은 특별한 문제를 제기합니다.

"TI에 레이저를 비추면 표면과 내부 모두에 고조파가 생성됩니다. 문제는 이를 어떻게 분리하느냐입니다.

그는 팀의 핵심 발견은 다음과 같다고 설명했습니다. , 원형 편광은 표면 및 내부와 뚜렷한 방식으로 상호 작용하여 표면에서 높은 고조파 생성을 촉진하고 독특한 특성을 부여합니다. 이러한 상호 작용은 표면과 내부 사이의 두 가지 근본적인 차이점, 즉 전자 스핀이 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 극성을 갖는 정도와 표면 격자에서 방향이 지정되는 정도에 의해 형성됩니다. 원자. 대칭 유형.

과학자들이 원형 편광 레이저 광을 사용하여 표면에서는 전기를 전도하지만 내부에서는 전기를 전도하지 않는 양자 물질인 위상 절연체를 조사하는 SLAC 고출력 레이저 실험실의 실험 설정에 대한 개략도입니다. 고조파 생성이라는 프로세스는 레이저 광을 더 높은 에너지와 주파수, 즉 고조파로 변환합니다. 이는 전도성 표면층에서 전자의 스핀과 운동량을 나타내는 검출기(화살표)에 분극 패턴을 생성합니다. 이는 토폴로지 표면의 고유한 특징입니다.

출처: Shambhu Ghimire/Stanford PULSE Institute

Ghimire는 그룹이 올해 초 TI에서 높은 수소 및 높은 수은을 달성하는 방법을 발표한 이후 독일과 중국의 다른 두 연구 그룹이 높은 수소 및 수은 함량을 달성했다고 말했습니다. 토폴로지 절연체에서 수소와 높은 수은이 보고되었습니다. 그러나 두 실험 모두 선형 편광으로 수행되었기 때문에 원형 편광에 의해 생성된 향상된 신호를 볼 수 없었습니다. 이 신호는 위상학적 표면 상태의 고유한 서명이라고 그는 말했습니다.

강렬한 레이저 광은 물질의 전자를 전자 수프(플라즈마)로 바꿀 수 있기 때문에 팀은 고출력 티타늄 사파이어 레이저의 파장을 변경하여 파장을 더 길게 만드는 방법을 찾아야 했습니다. .10배, 즉 에너지를 10배로 줄입니다. 그들은 또한 샘플의 손상을 줄이기 위해 매우 짧은 레이저 펄스를 사용했는데, 이는 백만분의 1초와 10억분의 1초에 해당하는 셔터 속도에서 물질의 거동을 포착할 수 있다는 추가적인 이점도 있었습니다.

"HHG 사용의 장점은 초고속 검출기라는 점입니다."라고 Ghimire는 말했습니다. "이제 우리는 위상학적 표면 상태를 조사하는 새로운 방법을 확인했으므로 이를 사용하여 강력한 레이저나 화학적 방법으로 유도된 위상학적 상태를 비롯한 다른 흥미로운 물질을 연구할 수 있습니다." 재료에너지과학연구소(SIMES), 미시간대학교 앤아버 캠퍼스, 포항과학기술대학교(POSTECH)가 이번 연구에 기여했습니다.