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Far suonare bene i fotoni con gli elettroni
I ricercatori del MIT sono riusciti a far danzare insieme fotoni ed elettroni sulla superficie di un tipo insolito di materiale chiamato isolante topologico. Questo tipo di accoppiamento era stato previsto dai teorici ma mai osservato prima.
Nuh Gedik con lo spettrometro elettronico che lui e il suo team hanno usato per studiare il comportamento degli elettroni.
I ricercatori suggeriscono che questa scoperta potrebbe rendere possibile la creazione di materiali le cui proprietà elettroniche possono essere sintonizzate in tempo reale, semplicemente puntando su di essi precisi raggi laser. Il lavoro apre una nuova strada per la manipolazione ottica degli stati quantistici della materia, afferma Nuh Gedik, professore associato di fisica e autore senior di un articolo in Scienza che descrive il nuovo lavoro.
Gedik e il suo team hanno sparato impulsi estremamente brevi di luce laser nel medio infrarosso, della durata di poche centinaia di femtosecondi, o milionesimi di miliardesimo di secondo, su un campione dell'isolante topologico, un materiale solido cristallino. Hanno osservato i risultati con uno spettrometro elettronico, una telecamera ad alta velocità specializzata.
Quello che hanno visto quando i fotoni pulsati si sono mescolati con gli elettroni esotici sulla superficie del materiale ha dimostrato l'esistenza di una miscela quantomeccanica nota come stato di Floquet-Bloch. Gli stati di Bloch (che descrivono il movimento regolare e ripetuto degli elettroni in un cristallo) sono periodici nello spazio. Gli stati di Floquet (che descrivono come i fotoni interagiscono con la materia) sono periodici nel tempo. Far interagire in modo coerente elettroni e fotoni genera lo stato di Floquet-Bloch, che è periodico sia nel tempo che nello spazio.
La telecamera ad alta velocità ha catturato istantanee dello stato mai visto prima dalla sua generazione alla sua scomparsa, un processo che è durato solo poche centinaia di femtosecondi. I ricercatori hanno anche scoperto che il comportamento del materiale cambiava quando cambiava la polarizzazione della luce.
I loro risultati suggeriscono che è possibile alterare le proprietà elettroniche di un materiale, ad esempio cambiandolo da conduttore a semiconduttore, semplicemente irradiandolo con luce polarizzata in un modo particolare. Normalmente, per produrre cambiamenti così drammatici nelle proprietà di un materiale, devi fare qualcosa di violento, dice Gedik. Ma in questo caso, potrebbe essere possibile farlo semplicemente illuminandolo.
Ci vorrà del tempo per valutare le possibili applicazioni, dice Gedik. Ma, suggerisce, questo potrebbe essere un modo per progettare materiali per funzioni specifiche. Supponiamo che tu voglia che un materiale faccia qualcosa: conduca elettricità o sia trasparente, per esempio, dice. Di solito lo facciamo con mezzi chimici. Con questo nuovo metodo, un lampo di luce laser potrebbe essere tutto ciò che serve.