Wewne-Punkty na tropie: publikacja fizyków z Kaiserslautern jako „sugestia redakcyjna” opublikowana

Spektrometrem Fourier-Transform-Infrarot experimentálně prokázaný Weylův bod. Zřetelně je vidět, jak se dotýkají dvě pásma. (Zdroj: C. Jörg / S. Vaidya / J. Noh)

Za pomocą rasterowego elektronowego mikroskopu pola emisyjnego widoczna jest chiralna, przypominająca stosy drewna struktura kryształów fotonicznych, które naukowcy wyprodukowali metodą polimeryzacji dwufotonowej i użyli do swoich badań. (Źródło: C. Jörg)

Materiał, który przewodzi i izoluje – czy istnieje? Tak, naukowcy po raz pierwszy opisali w 2005 roku tak zwanych izolatorów topologicznych, które wewnątrz zapobiegają przepływowi prądu, ale na powierzchni są niezwykle przewodzące. Stany, które w trójwymiarowych ciałach stałych prowadzą do miejsc zakłóceń, są z kolei zawieszone na tak zwanych punktach Weyla. Zespół naukowców z Pennsylvania State University (PSU) i TU Kaiserslautern (TUK) niedawno po raz pierwszy udało się uczynić te punkty widocznymi za pomocą światła podczerwonego. Czasopismo naukowe Physical Review Letters opublikowało ich powiązaną publikację jako „editor's suggestion”.

Właściwie fizyk z Kaiserslautern, dr Christina Jörg, chciała w marcu osobiście rozpocząć swoją posdoktorancką pracę na Pennsylvania State University. Jednak COVID-19 ją powstrzymał. Zamiast tego otrzymała możliwość rozpoczęcia pracy w „domu” i przeprowadzenia swoich eksperymentów w TUK w grupie roboczej „Technologie optyczne i fotonika” pod kierunkiem prof. dr. Georga von Freymanna. Okazało się to szczęściem. „Kontynuuję badania rozpoczęte przez moich kolegów w USA, charakteryzując stany powierzchni i związane z nimi optyczne punkty Weyla w topologicznych kryształach fotonicznych”, wyjaśnia fizyk. „Ze względu na sytuację pandemiczną w USA prace laboratoryjne na Pennsylvania State University są ograniczone. W Kaiserslautern mam jednak pełny dostęp do niezbędnych urządzeń i technik pomiarowych.”

O tym, co wyróżnia izolatory topologiczne, Jörg opowiada na przykładzie: „W urządzeniach elektronicznych lub optycznych podczas przewodzenia prądu lub światła dzieje się dokładnie to, co znamy, gdy w mgle włączamy światło dalekosiężne: światło jest rozpraszane, a cząsteczki światła odbijają się od kropelek mgły i są odrzucane z powrotem. Przenosząc to na urządzenie, sygnał przewodzony nie przechodzi bez strat i słabnie na swojej drodze.”

W przypadku izolatorów topologicznych jest inaczej. Tutaj sygnały mogą bez strat przepływać wokół wewnętrznych miejsc zakłóceń po powierzchni. „Specjalne stany, które umożliwiają obejście, zawsze są zawieszone na konkretnych punktach w strukturze pasm – na mapie drogowej opisującej, jak mogą przepływać sygnały –” wyjaśnia Jörg. „Są to miejsca, w których dwa pasma się stykają. Te miejsca nazywają się punktami Weyla. Topologiczne punkty Weyla są niezwykle odporne i niepodatne na zewnętrzne wpływy. W materiałach optycznych punkty Weyla były do tej pory trudne do eksperymentalnego uzyskania, ponieważ do ich bezpośredniego obserwowania potrzebny jest jak największy kontrast materiałowy.”

Zespół użył więc specjalnego drukarki 3D, aby wyprodukować do badań odpowiednie kryształy fotoniczne o łącznej wielkości jednego milimetra kwadratowego. Po raz pierwszy udało im się wykryć kwadratowe punkty Weyla w świetle podczerwonym. Ważny krok milowy: „Chociaż jeszcze nie dotarliśmy do widzialnego zakresu, to dzięki tym odkryciom jesteśmy znacznie bliżej przyszłego zastosowania”, podsumowuje Jörg.

Renomowane czasopismo naukowe Physical Review Letters jest równie przekonane o potencjale badań fizyków z Kaiserslautern i USA i umieściło ich artykuł na prominentnym miejscu w najnowszym wydaniu.

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

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