211service.com
Fotonen goed laten spelen met elektronen
Onderzoekers van het MIT zijn erin geslaagd fotonen en elektronen samen te laten dansen op het oppervlak van een ongewoon soort materiaal dat een topologische isolator wordt genoemd. Dit type koppeling was voorspeld door theoretici, maar nooit eerder waargenomen.
Nuh Gedik met de elektronenspectrometer die hij en zijn team gebruikten om het gedrag van elektronen te bestuderen.
De onderzoekers suggereren dat deze bevinding het mogelijk zou kunnen maken om materialen te creëren waarvan de elektronische eigenschappen in realtime kunnen worden afgestemd, simpelweg door er precieze laserstralen op te laten schijnen. Het werk opent een nieuwe weg voor optische manipulatie van kwantumtoestanden van materie, zegt Nuh Gedik, een universitair hoofddocent natuurkunde en senior auteur van een paper in Wetenschap dat beschrijft het nieuwe werk.
Gedik en zijn team schoten extreem korte pulsen van mid-infrarood laserlicht - die slechts een paar honderd femtoseconden of miljoensten van een miljardste van een seconde duurden - op een monster van de topologische isolator, een vast kristallijn materiaal. Ze observeerden de resultaten met een elektronenspectrometer, een gespecialiseerde hogesnelheidscamera.
Wat ze zagen toen de gepulseerde fotonen zich vermengden met de exotische elektronen op het oppervlak van het materiaal, toonde het bestaan aan van een kwantummechanisch mengsel dat bekend staat als een Floquet-Bloch-toestand. Bloch-toestanden (die de regelmatige, herhalende beweging van elektronen in een kristal beschrijven) zijn periodiek in de ruimte. Floquet-toestanden (die beschrijven hoe fotonen interageren met materie) zijn periodiek in de tijd. Door elektronen en fotonen op een coherente manier te laten interageren, wordt de Floquet-Bloch-toestand gegenereerd, die zowel in tijd als in ruimte periodiek is.
De hogesnelheidscamera legde snapshots vast van de nooit eerder vertoonde staat van zijn ontstaan tot zijn verdwijning, een proces dat slechts een paar honderd femtoseconden duurt. De onderzoekers ontdekten ook dat het gedrag van het materiaal veranderde toen de polarisatie van het licht veranderde.
Hun bevindingen suggereren dat het mogelijk is om de elektronische eigenschappen van een materiaal te veranderen, bijvoorbeeld door het van een geleider naar een halfgeleider te veranderen, gewoon door het te bestralen met licht dat op een bepaalde manier is gepolariseerd. Normaal gesproken moet je iets gewelddadigs doen om zulke dramatische veranderingen in de eigenschappen van een materiaal teweeg te brengen, zegt Gedik. Maar in dit geval is het misschien mogelijk om dit te doen door er licht op te laten schijnen.
Het beoordelen van mogelijke aanvragen zal nog wel even duren, zegt Gedik. Maar, suggereert hij, dit zou een manier kunnen zijn om materialen voor specifieke functies te ontwikkelen. Stel dat je wilt dat een materiaal iets doet, bijvoorbeeld elektriciteit geleidt of transparant is, zegt hij. Meestal doen we dit met chemische middelen. Met deze nieuwe methode is misschien een flits van laserlicht alles wat nodig is.