Физики впервые получили прямые экспериментальные свидетельства существования состояния материи, которое до сих пор рассматривалось главным образом в теоретических моделях и компьютерных симуляциях. Учёным удалось с помощью интенсивных световых импульсов временно превратить обычный полупроводник в материал с признаками топологического состояния.
Результаты эксперимента открывают новый этап в развитии так называемой инженерии Флоке — метода, позволяющего временно изменять электронные свойства материалов с помощью быстро осциллирующих световых полей. Исследование продемонстрировало, что свет способен менять электронную структуру вещества без изменения его химического состава и положения атомов.
Эксперимент провели с теллуридом олова, или SnTe, — полупроводником, который находится близко к переходу между обычной и топологической фазами. Используя сверхкороткие лазерные импульсы длительностью в фемтосекундном диапазоне, исследователи смогли непосредственно зафиксировать переход материала в состояние, индуцированное светом.
«Главный результат заключается в том, что мы показали: полупроводник можно превратить в металл только благодаря взаимодействию со светом. Химический состав и атомная структура материала при этом не меняются», — рассказал руководитель исследования, профессор Университета Фрибура Клод Монни.
Чтобы понять значение эксперимента, необходимо учитывать особенности топологических изоляторов. Такие материалы остаются изоляторами внутри объёма, но способны проводить электрический ток по поверхности.
Проводимость поверхности защищена топологией энергетических зон материала и симметрией его кристаллической структуры. В электронной структуре она проявляется в характерной конусообразной особенности, известной как конус Дирака.
Поскольку это состояние определяется топологией зон и симметрией, а не только химическими свойствами поверхности или отдельными дефектами, его чрезвычайно сложно разрушить. Именно поэтому топологические материалы рассматриваются как перспективная основа для спинтроники и квантовых технологий.
Некоторые топологические изоляторы существуют в природе, однако их свойства зависят от химического состава и кристаллической структуры. Инженерия Флоке предлагает другой подход: временно изменять электронное состояние материала с помощью света.
Интенсивное быстро меняющееся световое поле заставляет электроны формировать новые квантовые состояния, называемые состояниями Флоке. Они фактически создают копии исходных энергетических зон, смещённые на энергию фотона. Эти дополнительные зоны могут взаимодействовать с обычными электронными зонами материала и временно менять его свойства, пока действует световое поле.
Теллурид олова был выбран для эксперимента не случайно. При более высоких температурах он способен переходить в кристаллическую структуру, поддерживающую настоящую топологическую фазу. Однако при низкой температуре, использованной в эксперименте, материал естественным образом находится в другой, нетопологической структуре.
Именно это обычное состояние стало отправной точкой эксперимента. Исследователи хотели проверить, можно ли с помощью света временно заставить материал вести себя так, будто он находится в топологической фазе.
Для этого учёные использовали метод спектроскопии фотоэмиссии с угловым разрешением и временным разрешением, известный как TR-ARPES. Кристаллы SnTe охладили до температуры 30 кельвинов, после чего направили на образец короткий лазерный импульс, энергия которого была близка к ширине запрещённой зоны материала.
Затем второй лазерный импульс с более высокой энергией выбивал электроны из образца. Анализируя эти электроны, исследователи получали снимок электронной структуры материала в конкретный момент времени.
Повторяя измерения при различных задержках между первым и вторым импульсами, учёные смогли проследить, как электронная структура SnTe менялась до воздействия света, во время него и после завершения импульса.
«В схеме накачки и зондирования мы можем отслеживать, как изменяется зонная структура в зависимости от задержки между световыми импульсами. Поэтому мы смогли увидеть изменение дисперсии зоны проводимости, когда световые импульсы воздействовали на твёрдое тело», — объяснил Монни.
Параллельно теоретическая группа под руководством профессора Яна Минара из Университета Западной Богемии в Пльзене рассчитала, как электронная структура SnTe должна реагировать на воздействие света. Для этого исследователи использовали теорию функционала плотности, расширенную с учётом формализма Флоке.
Когда лазерный импульс накачки и зондирующий импульс одновременно достигали образца, учёные обнаружили в электронной структуре SnTe конус Дирака внутри запрещённой зоны. Такая особенность является характерным признаком топологического поверхностного состояния и отсутствует в обычной нетопологической структуре материала.
Примерно через 100 фемтосекунд после прохождения импульса накачки конус Дирака исчезал, а электронная структура возвращалась к своему обычному состоянию.
Исследователи провели несколько дополнительных проверок, чтобы исключить другие возможные объяснения наблюдаемого эффекта. Конус Дирака появлялся независимо от поляризации лазерного света, что позволило исключить механизм лазерно-стимулированной фотоэмиссии.
Кроме того, эффект наблюдался только тогда, когда энергия светового импульса была близка к ширине запрещённой зоны SnTe. При достижении резонанса сигнал становился максимальным, а при других энергиях фотонов ослабевал.
Отдельный анализ признаков структурного искажения кристалла показал, что атомы за это время не успевали изменить своё положение. Это позволило исключить сверхбыстрый структурный фазовый переход как причину появления нового состояния.
По мнению исследователей, наблюдаемый эффект связан с инверсией зон — процессом, при котором электронные свойства валентной зоны и зоны проводимости меняются местами. В результате электронная структура начинает напоминать структуру SnTe в его естественной топологической фазе.
«Это тесно связано с топологическим состоянием SnTe. Нам удалось заставить электронную структуру SnTe имитировать эту фазу под воздействием света. Я использую слово "имитировать", потому что мы также смогли доказать, что положения ионов в этом переходном состоянии не меняются», — пояснил Монни.
Таким образом, свет не перестраивает кристаллическую решётку материала, а временно изменяет поведение его электронов. Инженерия Флоке позволяет добиться эффекта, который обычно потребовал бы изменения структуры самого вещества.
Теоретические расчёты подтвердили наблюдения. Модели воспроизвели взаимодействие электронных зон и появление конуса Дирака, что поддерживает вывод о возникновении настоящего топологического состояния, индуцированного светом.
При этом учёные отмечают, что точная топологическая природа кратковременного состояния пока ещё требует дальнейшего изучения. Само состояние существует крайне недолго — примерно в течение времени действия сверхкороткого светового импульса.
Исследователи надеются, что другие научные группы смогут проверить обнаруженный эффект с помощью независимых методов и на других материалах. Если аналогичный механизм удастся обнаружить в других соединениях, это подтвердит, что речь идёт не об уникальном свойстве SnTe, а о более общем способе управления топологическими состояниями вещества.
«Было бы интересно найти другие похожие материалы, которые также можно было бы превратить в топологические изоляторы с помощью того же механизма. Это подтвердило бы, что мы правильно поняли механизм и что его можно обобщить на целый класс материалов», — отметил Монни.
Главной нерешённой проблемой остаётся увеличение продолжительности эффекта. Настройка энергии света вблизи запрещённой зоны SnTe одновременно приводит к поглощению излучения материалом и его нагреву. Поэтому пока неясно, как долго удастся поддерживать индуцированное светом топологическое состояние без разрушения исходных свойств образца.
Исследование в журнале Nature Physics.