Topological Fermi-polaron Polaritons with Electrically Invertible Topology

In de wereld van licht en materie hebben wetenschappers lang gezocht naar manieren om speciale paden te creëren waar golven kunnen reizen zonder ooit terug te kaatsen of verstrooid te worden. Dit idee berust op een concept genaamd topologie, dat beschrijft hoe vormen en patronen hun vorm behouden, zelfs wanneer ze worden uitgerekt of gedraaid. Stel je een koffiemok en een donut voor; voor een topoloog zijn dit hetzelfde object omdat beide precies één gat hebben. In de natuurkunde kan deze wiskundige eigenschap worden toegepast op energiebanden, waardoor toestanden van materie ontstaan die ongelooflijk robuust zijn tegen defecten of onzuiverheden. Decennialang hebben onderzoekers deze "topologische" toestanden succesvol gebouwd in systemen die uitsluitend uit licht of uit koude gassen bestaan, maar het doen van dit in vaste materialen die gemakkelijk te besturen zijn, bleef een hardnekkige uitdaging. Het belangrijkste obstakel was een gebrek aan sterke genoeg krachten om een fundamentele symmetrie van de natuur, bekend als tijdomkeersymmetrie, te doorbreken. Zonder het doorbreken van deze symmetrie kunnen de speciale eenrichtingspaden die topologische systemen zo nuttig maken, niet worden gevormd, of blijven ze te zwak voor praktisch gebruik.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Michigan heeft nu een manier gevonden om deze barrière te overwinnen door licht te mengen met een specif kind soort deeltjesinteractie die met elektriciteit aan- en uitgezet kan worden. Ze creëerden een nieuwe toestand van materie genaamd een Fermi-polaron polariton, die bestaat binnen een minuscule chip gemaakt van een fotonisch kristal en een enkele laag van een halfgeleidermateriaal. Door een magnetisch veld toe te passen en de elektrische spanning aan te passen, waren zij in staat om het systeem een grote energiekloof te laten openen, waardoor een topologische toestand ontstond die niet alleen robuust is, maar ook volledig omkeerbaar. De meest opmerkelijke ontdekking is dat ze de richting van deze topologische toestand simpelweg kunnen omdraaien door de elektrische lading te veranderen, zonder dat daarvoor het magnetisch veld omgekeerd hoeft te worden. Deze prestatie opent de deur naar het bouwen van optische circuits waar licht met perfecte precisie kan worden geleid, immuun voor de imperfecties die normaal gesproken elektronische apparaten verstoren.

Het apparaat dat het hart vormt van dit experiment is een wonder van moderne techniek, geconstrueerd door een enkele laag molybdeen diselenide, een tweedimensionale halfgeleider, op een fotonisch kristal te stapelen. Dit kristal is een dunne plaat van siliciumnitride die is gepatroneerd met een honingraatstructuur van kleine luchtgaten, ontworpen om licht op zeer specifieke manieren te vangen en te geleiden. De onderzoekers plaatsten deze structuur in een vacuümkamer bij extreem lage temperaturen en onderwierpen deze aan een sterk magnetisch veld. Bovenop de halfgeleiderlaag voegden ze een grafeen-poort toe, die fungeert als een kraan voor elektronen, waardoor ze het aantal ladingsdragers in het materiaal nauwkeurig kunnen controleren. Wanneer licht dit systeem raakt, kaatst het niet simpelweg terug; het koppelt sterk met de elektronen en gaten binnen de halfgeleider, waardoor hybride deeltjes ontstaan die polaritonen worden genoemd. Deze polaritonen zijn een mengeling van licht en materie, en erven eigenschappen van beide.

In eerdere pogingen om soortgelijke topologische toestanden in vaste materialen te creëren, vertrouwden wetenschappers op de natuurlijke reactie van elektronen op een magnetisch veld, een fenomeen dat bekend staat als het Zeeman-effect. Echter, dit effect is erg zwak in niet-magnetische materialen, waardoor er energiekloven ontstaan die te klein zijn voor praktische toepassingen. De onderzoekers in deze studie realiseerden zich dat door een zee van elektronen of gaten in de halfgeleider te introduceren, zij een veel sterker effect konden triggeren. Wanneer het materiaal wordt gedoteerd met extra elektronen of gaten, interageren deze deeltjes met de door licht geëxciteerde deeltjes om wat bekend staat als Fermi-polaronen te vormen. Deze interacties creëren een enorme energieverschillen tussen deeltjes met verschillende spins, wat veel groter is dan wat het magnetische veld alleen zou kunnen bereiken. Het team demonstreerde dat deze veel-deeltjes-interactie, gecombineerd met de unieke geometrie van het fotonische kristal, een topologische kloof genereert van tot wel 4 millielectronvolt. Dit is meer dan tien keer groter dan wat eerder in soortgelijke systemen is bereikt.

De ware kracht van deze ontdekking ligt in de elektrische controle ervan. De onderzoekers ontdekten dat de richting van de topologische toestand volledig afhangt van of de halfgeleider gevuld is met extra elektronen of extra gaten. Door simpelweg de spanning op de poort aan te passen, konden ze het systeem van de ene topologische toestand naar de tegenovergestelde schakelen. Wanneer de poorspanning werd ingesteld om elektronen aan te trekken, draaide de topologische lading de ene kant op; wanneer deze werd ingesteld om gaten aan te trekken, draaide deze de andere kant op. Dit betekent dat de onderzoekers het volledige topologische landschap van de chip konden inverteren zonder de magneten aan te raken of de fysieke structuur van het apparaat te veranderen. Ze observeerden deze inversie duidelijk in de manier waarop het licht splitste in verschillende circulaire polarisaties, een signatuur die de topologische aard van de banden bevestigde. De kloof tussen de energieniveaus opende en sloot, en de richting van de eenrichtingspaden keerde om, alles gestuurd door een eenvoudig elektrisch signaal.

Dit werk vestigt een nieuw platform voor het creëren van programmeerbare topologische fotonica. Omdat de topologische toestand elektrisch kan worden geherconfigureerd, suggereert dit de mogelijkheid om optische circuits te bouwen die dynamisch kunnen worden herbedraad. In een dergelijk systeem zou licht langs specifieke paden kunnen worden geleid die immuun zijn voor verstrooiing, wat de creatie van robuuste optische interconnects of logische poorten mogelijk maakt. De onderzoekers merkten op dat door interfaces te ontwerpen tussen regio's met verschillende elektrische controles, zij grenzen konden creëren waar chirale randtoestanden — licht dat slechts in één richting beweegt — op aanvraag kunnen worden gegenereerd en gemanipuleerd. Dit niveau van controle over de stroom van licht, gedreven door het samenspel van licht, materie en elektrische velden, vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar het benutten van topologische fysica voor real-world technologieën. De bevindingen bevestigen dat sterke interacties tussen deeltjes kunnen worden gebruikt om de fundamentele eigenschappen van licht te manipuleren, wat een pad biedt naar apparaten die zowel zeer efficiënt als gemakkelijk afstembaar zijn.