Stopy po Weylových bodech: Publikace physiků z Kaiserslauternu jako „návrh editorů“ zveřejněna

Pomocí Fourier-Transform Infrared Spectrometru experimentálně prokázaný Weylův bod. Je zřetelně vidět, jak se dotýkají dvě pásma. (Zdroj: C. Jörg / S. Vaidya / J. Noh)

Podle poleové emisní rastrové elektronové mikroskopie je viditelná chirální, dřevěná vrstvená struktura fotonických krystalů, kterou vědci vytvořili pomocí dvoufotonové polymerizace a použili ji pro své výzkumy. (Zdroj: C. Jörg)

Materiál, který vede a izoluje – existuje takový? Ano, vědci poprvé v roce 2005 popsali takzvané topologické izolátory, které uvnitř brání průtoku proudu, ale na povrchu jsou extrémně vodivé. Stavy, které vedou v trojrozměrných pevných látkách kolem poruchových míst, jsou opět navázány na takzvané Weylovy body. Týmu vědců na Pensylvánské státní univerzitě (PSU) a Technické univerzitě Kaiserslautern (TUK) se nedávno poprvé podařilo tyto body zpřístupnit pomocí infračerveného světla. Časopis Physical Review Letters zveřejnil jejich související publikaci jako „editors’ suggestion“.

Ve skutečnosti by v březnu ráda nastoupila na postdoktorandskou pozici na Pensylvánské státní univerzitě přímo fyzička Dr. Christina Jörg. Avšak COVID-19 ji zbrzdil. Místo toho dostala možnost začít postdoktorandský výzkum v „home office“ a provádět své experimenty na TUK v pracovním týmu „Optické technologie a fotonika“ pod vedením prof. Dr. Georga von Freymanna. Štěstí, jak se rychle ukázalo. „Pokračuji ve výzkumu, který již začali moji kolegové v USA, a to v charakterizaci povrchových stavů a s tím souvisejících optických Weylových bodů v topologických fotonických krystalech,“ vysvětluje fyzička. „Vzhledem k pandemické situaci v USA je práce v laboratoři na Pensylvánské státní univerzitě omezená. Na Kaiserslautern mám však plný přístup k potřebným zařízením a měřicí technice.“

Co činí topologické izolátory, popisuje Jörg na příkladu: „V elektronických nebo optických zařízeních se při vedení proudu nebo světla děje přesně to, co známe, když při mlze zapneme dálkové světlo: Světlo se rozptyluje nebo částice světla narážejí na mlžné kapky a odrážejí se zpět. Přeneseně do zařízení, signál, který má být veden, neprochází bez ztráty a na své cestě se zeslabuje.“

U topologických izolátorů je situace odlišná. Zde signály mohou bez ztráty proudit přes povrch kolem vnitřních poruchových míst. „Speciální stavy, které umožňují obchvat, jsou vždy navázány na určitá místa v pásové struktuře – na mapě, která popisuje, jak mohou signály proudit –“ vysvětluje Jörg. „Jedná se o místa, kde se dotýkají dvě pásma. Tato místa se nazývají Weylovy body. Topologické Weylovy body jsou mimořádně odolné a odolávají vnějším vlivům. U optických materiálů byly Weylovy body dosud jen těžko experimentálně přístupné, protože k jejich volnému pozorování je potřeba co nejvyšší kontrast materiálu.“

Proto tým využil speciální 3D tiskárnu k výrobě vhodných fotonických krystalů o celkové velikosti jednoho čtverečního milimetru. V nich se poprvé podařilo pomocí infračervených vln prokázat kvadratické optické Weylovy body. Důležitý milník: „I když ještě nedosahujeme viditelné oblasti, s těmito poznatky jsme výrazně blíže k budoucímu využití,“ shrnuje Jörg.

Renomovaný časopis Physical Review Letters je přesvědčen o potenciálu výzkumu fyziků z Kaiserslauternu a USA a publikaci zařadil na významné místo v aktuálním vydání.

Informace o původní publikaci:
Observation of a Charge-2 Photonic Weyl Point in the Infrared
Sachin Vaidya, Jiho Noh, Alexander Cerjan, Christina Jörg, Georg von Freymann, a Mikael C. Rechtsman
Phys. Rev. Lett. 125, 253902
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.253902

Otázky zodpovídá:
Dr. Christina Jörg
Tel.: 0631 205-5230
E-mail: cjoerg[at]rhrk.uni-kl.de