Физики заставили электроны в графене двигаться по правилам, которых раньше не было

Обычно материал получает свои электрические свойства от собственной структуры. Медь проводит ток, стекло служит изолятором, а графен обладает необычной электронной зонной структурой благодаря расположению атомов углерода. Но физики продемонстрировали гораздо более странную возможность: свойства вещества можно на короткое время переписать светом, а затем использовать второй световой импульс для управления электронами уже внутри этого искусственно созданного состояния.

Международная команда исследователей работала с графеном – листом углерода толщиной всего в один атом. Сам по себе этот материал давно интересует физиков высокой подвижностью электронов и необычной зонной структурой. На этот раз задача состояла не в том, чтобы просто наблюдать его свойства, а фактически создать для электронов новую среду, существующую лишь во время взаимодействия вещества со светом.

В основе эксперимента лежит физика Флоке. Ее проще представить через качели. Если периодически толкать их с определенным ритмом, поведение системы начинает определяться не только устройством самих качелей, но и внешним периодическим воздействием. Нечто похожее происходит с электронами в кристалле, если воздействовать на них быстро осциллирующим электромагнитным полем.

Исследователи использовали круговой поляризованный свет. В таком поле направление электрического поля не просто колеблется вперед-назад, а вращается. Для электронов графена это периодическое воздействие меняет доступные энергетические состояния. Возникает гибрид вещества и света – состояние Флоке, которое исчезает практически сразу после прекращения лазерного импульса.

Особенно интересно, что графен при таком воздействии приобретает топологические свойства, которых у него нет в обычном равновесном состоянии. Топология здесь не имеет отношения к форме образца. В физике конденсированного состояния этим словом описывают глобальные математические свойства электронной структуры, способные определять необычные режимы движения зарядов.

Под действием света графен временно превращался в аналог топологического изолятора Флоке. Такое состояние давно предсказывалось теоретически, а его отдельные признаки уже наблюдались экспериментально. Новая работа делает следующий шаг: исследователи научились не только создавать измененную светом электронную структуру, но и непосредственно управлять движением электронов внутри нее.

Для этого понадобился второй цвет света. Первый лазер создавал импульсы с длиной волны 1550 нанометров и продолжительностью около 200 фемтосекунд. Фемтосекунда составляет одну квадриллионную секунды, поэтому все происходило в масштабах времени, совершенно недоступных человеческому восприятию.

Второе поле представляло собой вторую гармонику первого: его частота была вдвое выше, а длина волны составляла 775 нанометров. Исследователи могли менять поляризацию этого импульса и момент его прихода относительно первого. Получилась своеобразная двухступенчатая система: один световой импульс временно перестраивает электронный ландшафт графена, второй направляет электроны через этот измененный ландшафт.

Сам образец был достаточно прост по сравнению с необычностью происходящей физики. Ученые использовали микроскопическую полоску однослойного графена на карбиде кремния, соединенную с золотыми электродами. Эксперимент проводили в высоком вакууме при комнатной температуре, направляя лазерные импульсы на центральную область графена.

Золотые электроды позволяли измерять фототок – электрический ток, возникающий под воздействием света. Когда исследователи изменяли взаимную фазу и поляризацию двух оптических полей, менялись и сила, и направление движения электронов. Таким образом, свет выступал одновременно инструментом создания необычного состояния вещества и средством управления находящимися в нем носителями заряда.

Одним из наиболее интересных эффектов стал полностью оптический аналог аномального эффекта Холла. В классическом варианте эффект Холла проявляется как поперечное отклонение движущихся зарядов под действием магнитного поля. Здесь же электроны получали поперечное направление движения без внешнего магнита. Необходимую асимметрию создавала сама взаимодействующая с графеном световая структура.

Эксперимент также выявил так называемую долинную поляризацию. В зонной структуре графена существуют две особые области, которые физики называют долинами. Это не реальные углубления в материале, а разные состояния электронов в пространстве импульсов. Двухцветное поле позволяло сделать вклад одной долины в электрический ток сильнее вклада другой.

Особенно впечатляет временной масштаб управления. Электронные процессы реагировали на изменения, происходящие в пределах одного оптического цикла. Это переводит эксперимент в область петагерцовой электроники – концепции, согласно которой информацией потенциально можно управлять не на гигагерцовых частотах современных процессоров, а с использованием колебаний самого света.

До практического компьютера, работающего таким образом, еще очень далеко. Эксперимент требует точно синхронизированных сверхкоротких лазерных импульсов и демонстрирует фундаментальный физический эффект, а не готовую архитектуру процессора. Кроме того, переходные состояния существуют чрезвычайно недолго, а рассеяние и потеря квантовой когерентности быстро разрушают их.

Но именно кратковременность одновременно является преимуществом. Исследователям не приходится химически перестраивать материал или создавать новый кристалл. Его свойства включаются светом, существуют необходимое время и исчезают после прекращения воздействия. Один и тот же лист графена фактически можно переводить между различными электронными режимами.

В перспективе подобный подход может оказаться интересен для сверхбыстрой электроники, фотоники, спектроскопии и квантовых технологий. Еще более фундаментальная возможность состоит в создании состояний вещества, которых в природе в обычных условиях вообще нет. Вместо поиска материала с необходимыми свойствами физики получают шанс временно конструировать эти свойства при помощи света.

Именно поэтому эксперимент с графеном выходит далеко за пределы одного двумерного материала. Свет здесь перестает быть только способом посмотреть на вещество или передать ему энергию. Он становится частью самого электронного состояния. А второй световой импульс позволяет управлять электронами уже внутри этой кратковременной реальности – словно сначала создать для частиц новые правила движения, а затем показать им, в какую сторону двигаться.