Topologia valossa: tutkijat luovat optisen ilmiön

Würzburgin yliopiston tutkijat huippuosaamisryhmässä ctd.qmat ovat onnistuneesti siirtäneet topologiset kvantti-Hall- ja spin-Hall-ilmiöt hybridi-valo-ainejärjestelmään kohdennetun materiaalisuunnittelun avulla.

Vuonna 1980 Nobel-palkittu Klaus von Klitzing osoitti ensimmäisenä topologisen varauksen kuljetuksen kvantti-Hall-ilmiön avulla. Vuonna 2006 professori Laurens Molenkamp antoi maailman ensimmäisen kokeellisen todisteen kvantti-Spin-Hall-ilmiöstä topologisen eristeen ominaisuutena. Nämä molemmat ilmiöt suojaavat elektroneja sironnalta.

Nyt Sebastian Klembt sovelletun fysiikan laitokselta, Würzburg–Dresdenin huippuosaamisklusterin ctd.qmat:lta on siirtänyt nämä vaikutukset hybridikvanttimateriaaliin yhdessä kansainvälisen tiimin kanssa.

Tämän saavuttamiseksi tutkijat käyttivät polaritoneja – valon (fotonien) ja aineen (eksitonien) hybridiä. Nämä muodostuvat "mikropilareissa" – pienissä puolijohderakenteissa, joissa valo ja aine vuorovaikuttavat voimakkaasti.

Kokeet tehtiin JMU:n sovelletun fysiikan laitoksella. Teoreettinen viitekehys kehitettiin yhteistyössä professori Ronny Thomalen sekä Singaporen Nanyangin teknillisen yliopiston tutkijoiden kanssa.

Würzburgin tutkijat muokkasivat galliumarsenidia (GaAs) elliptisten mikropilareiden ketjuksi. Kun lasersäde osuu näytteeseen, fotonit vuorovaikuttavat eksitonien kanssa muodostaen hybridipolaritoneja.

Peilikerrokset sulkevat nämä hiukkaset mikropilareiden sisään, missä ne käyttäytyvät elektronien tavoin topologisessa kuljetuksessa: ”Mikropilareiden elliptinen muoto ja kulmat, joissa ne ovat kytkeytyneet toisiinsa, luovat niin sanotun keinotekoisen mittauskentän. Aivan kuten elektroneihin vaikuttava magneettikenttä, tämä mittauskenttä määrittää polaritoniemme käyttäytymisen”, Klembt lisää.

Tässä hybridimateriaalijärjestelmässä geometria saa valon joko vasemmalle tai oikealle ympyräpolarisoitumaan – eli sähkökenttä pyörii myötäpäivään tai vastapäivään. Nämä kaksi polarisaatiota etenevät vastakkaisia reittejä pitkin muodostaen kvantti-spin-Hall-ilmiön optisen analogin. "Valon ympyräpolarisaatio toimii pseudospininä", Klembt sanoo.

Nature Communications -lehdessä julkaistut löydökset avaavat uusia mahdollisuuksia sovelluksille, kuten topologisille polaritonilasereille, spin-pohjaisille transistoreille ja optiselle tiedonkäsittelylle. Tässä yhteydessä valon polarisaatio voi toimia myös informaation kantajana.

Aiheesta aiemmin:

Uusia ilmiöitä topologisilla eristeillä