Впервые доказано, что свет способен переключать природу материи. Обычный кристалл на долю секунды стал квантовым проводником
Физики впервые напрямую увидели, как свет на доли секунды превращает обычный полупроводник в топологический материал. Кристалл теллурида олова начал проводить ток по поверхности, хотя его атомный состав и структура остались прежними. Предсказанный более 10 лет назад эффект удалось зафиксировать с помощью фемтосекундных лазерных импульсов.
Топологические изоляторы проводят электричество по поверхности, но не пропускают ток через внутреннюю часть. Поверхностные каналы устойчивы к небольшим дефектам и помехам, поэтому такие материалы интересуют разработчиков квантовых компьютеров и спинтронных устройств.
Обычно свойства топологического изолятора определяются химическим составом и расположением атомов. Флоке-инженерия предлагает другой путь: временно перестраивать электронную структуру материала сильным периодическим световым полем.
Под действием света электроны переходят в новые состояния и образуют копии энергетических зон, сдвинутые на энергию фотона. Такие копии могут взаимодействовать с исходными зонами и менять проводимость материала. Эффект сохраняется только во время воздействия лазера.
В качестве образца исследователи выбрали теллурид олова SnTe. Материал находится рядом с границей между обычным и топологическим состояниями. При высокой температуре его кристаллическая структура поддерживает топологическую фазу, но при 30 кельвинах образец переходит в нетопологическое состояние.
Учёные направляли на охлаждённый кристалл короткий лазерный импульс с энергией, близкой к ширине запрещённой зоны SnTe. Второй импульс выбивал электроны из материала и позволял получить моментальный снимок его электронной структуры.
Изменяя задержку между импульсами, команда проследила за состоянием образца до, во время и после освещения. В момент одновременного попадания двух импульсов внутри запрещённой зоны появился конус Дирака — характерный признак проводящего топологического поверхностного состояния.
Примерно через 100 фемтосекунд после завершения воздействия конус исчезал, а теллурид олова возвращался к исходным свойствам. Один фемтосекундный интервал равен одной квадриллионной доле секунды.
Проверки помогли исключить другие объяснения. Результат не зависел от поляризации лазера, но возникал только при энергии света, близкой к запрещённой зоне материала. Одновременно учёные подтвердили, что атомы за столь короткое время не успевали изменить положение.
Переход затронул только электроны. Свет вызвал инверсию зон: валентная зона и зона проводимости обменялись электронными свойствами и временно образовали конфигурацию, похожую на естественную топологическую фазу SnTe.
Расчёты на основе теории функционала плотности и флоке-модели воспроизвели взаимодействие энергетических зон и появление конуса Дирака. Авторы считают результаты прямым свидетельством светового флоке-состояния, хотя точные топологические характеристики кратковременной фазы ещё предстоит определить.
Управляемые светом фазы могут пригодиться в электронике, где свойства материала нужно переключать быстрее обычных транзисторов. В перспективе лазерные импульсы позволят создавать и отключать защищённые каналы проводимости без изменения состава кристалла.
Главным препятствием остаётся короткое время жизни состояния. Удерживать эффект дольше сложно: теллурид олова поглощает свет с энергией около запрещённой зоны и быстро нагревается. Теперь физикам предстоит найти материалы, в которых похожий переход продлится дольше и потребует меньше энергии.