Voor het eerst hebben natuurkundigen direct een Floquet topologische toestand waargenomen, een vreemde kwantumfase van materie die alleen bestaat wanneer een materiaal continu wordt bestraald met laserlicht. De ontdekking bevestigt een voorspelling van meer dan tien jaar geleden en opent een nieuw venster naar het controleren van materialen met licht.
Een kwantumtoestand die verdwijnt als je wegkijkt
Een Floquet topologische toestand is niet iets wat je in een pot kunt stoppen. Het is een vluchtige rangschikking van elektronen die ontstaat in een halfgeleider wanneer een ultrasnelle laserpuls erop inslaat. Het laserlicht herschikt in feite de elektronische structuur van het materiaal, waardoor beschermde paden ontstaan voor elektronen om langs de randen te stromen zonder te verstrooien. Het vreemde: zet de laser uit, en de toestand verdwijnt.
Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology in de Verenigde Staten voerden het experiment uit. Ze vuurden een middeninfrarood laser af op een dunne film van wolfraamdiselenide, een veelvoorkomende halfgeleider. Met behulp van een techniek genaamd tijds- en hoekopgeloste foto-emissiespectroscopie maakten ze momentopnames van de elektronen terwijl de laser hun gedrag veranderde. De beelden toonden duidelijke kenmerken van topologische randtoestanden, het kenmerk van een Floquet topologische fase.
Waarom lokale wetenschappers en de wereldwijde natuurkundegemeenschap er notitie van namen
Jarenlang hebben natuurkundigen getheoretiseerd dat het beschijnen van bepaalde materialen met licht ze tijdelijk kon veranderen in topologische isolatoren, materialen die alleen langs hun randen elektriciteit geleiden. Maar niemand had het effect direct gezien. De beelden van het MIT-team leveren het eerste visuele bewijs dat deze lichtgeïnduceerde toestanden echt zijn.
Lokale onderzoekers in Cambridge, Massachusetts, waar MIT is gevestigd, waren bijzonder opgewonden. Het experiment gebruikte apparatuur die op de campus was gebouwd en vertrouwde op een techniek die hetzelfde lab al jaren verfijnde. Voor de bredere natuurkundegemeenschap valideert het resultaat een hele klasse theoretische modellen en suggereert het dat licht gebruikt zou kunnen worden om materialen op commando tussen verschillende kwantumtoestanden te schakelen.
Het team observeerde dat de topologische toestand slechts zo lang duurde als de laserpuls aan stond, ongeveer 100 femtoseconden. Dat is een honderd biljoenste van een seconde. Maar zelfs dat korte venster was genoeg om de beschermde elektronenstroom langs de randen van het materiaal te meten, wat bevestigde dat de toestand echt was en geen artefact.
Wat dit betekent voor de toekomst van de materiaalwetenschap
De directe waarneming van een Floquet topologische toestand betekent niet dat er volgend jaar een nieuw apparaat komt. Maar het geeft wetenschappers wel een bewezen methode om exotische kwantumfasen te creëren en bestuderen die niet in de natuur voorkomen. Door licht te gebruiken om tijdelijk de eigenschappen van een materiaal te manipuleren, kunnen onderzoekers nu ideeën testen over topologische bescherming, elektronentransport en kwantumcoherentie op manieren die voorheen onmogelijk waren.
Het MIT-experiment laat zien dat de instrumenten om deze vluchtige toestanden vast te leggen al bestaan. De volgende stap zal zijn om de levensduur van de Floquet-toestand te verlengen, misschien door verschillende lasergolflengten of materiaalcombinaties te gebruiken. Voor nu is de belangrijkste conclusie dat een tien jaar oude voorspelling is bevestigd met direct experimenteel bewijs, en dat alleen al verschuift wat natuurkundigen voor mogelijk houden.
