Valley-resolved high harmonics probe symmetry breaking beyond the Dirac cone

In de subatomaire wereld gedragen deeltjes zich vaak alsof ze door een glad, continu weefsel bewegen, waarbij ze regels volgen die opmerkelijk veel lijken op Einsteins relativiteitstheorie. Dit gebeurt in bepaalde materialen waar elektronen zo snel rondjes rennen dat ze zich gedragen als massaloze deeltjes, ook al zitten ze eigenlijk gevangen in een vaste kristalstructuur. Natuurkundigen noemen dit een "emergent" gedrag omdat de gladheid geen fundamentele eigenschap van het materiaal zelf is, maar eerder een trucje van de omgeving met lage energie. Echter, diep vanbinnen zijn deze materialen opgebouwd uit een rigide, roosterachtige structuur van atomen. Bij extreem hoge energieën zou dit onderliggende rooster zichtbaar moeten worden, waardoor de gladde regels worden doorbroken en de werkelijke, korrelige aard van het materiaal wordt onthuld. De uitdaging voor wetenschappers is geweest om een manier te vinden om deze verborgen structuur te zien zonder de onmogelijke energieniveaus van een deeltjesversneller nodig te hebben. Ze hebben een methode nodig om de kleine, discrete stappen van het atomaire rooster te onderzoeken terwijl de elektronen zich nog steeds gedragen als gladde, relativistische golven.

Een team van onderzoekers heeft een manier gevonden om precies dit te doen met behulp van een laag koolstofatomen die bekend staat als grafeen en een zeer specifiek type laserlicht. Grafeen is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon. Onder normale omstandigheden bewegen elektronen in dit materiaal alsof ze worden beheerst door een eenvoudige, symmetrische vergelijking die alle richtingen gelijk behandelt. Maar deze symmetrie is een illusie die wegvalt wanneer de elektronen hard genoeg worden geduwd om de hoeken en randen van het atomaire rooster te voelen. De onderzoekers gebruikten intense laserpulsen, bestaande uit twee verschillende kleuren licht die in tegenovergestelde richtingen draaien, om de elektronen heftig te laten schudden. Door het licht te analyseren dat de elektronen weer uitspugen, waren ze in staat om de subtiele vingerafdrukken van het atomaire rooster te detecteren die normaal gesproken onzichtbaar zijn.

Het experiment steunde op een slimme opstelling waarbij het laserlicht fungeerde als een sonde, vergelijkbaar met hoe een hogesnelheidscamera de beweging van een draaiende ventilator vastlegt. Het laserveld had de vorm van een klaverblad met drie bladen, wat overeenkomt met de driedelige symmetrie van de koolstofatomen. Wanneer de elektronen door dit veld werden gedreven, genereerden ze nieuwe kleuren licht, bekend als harmonischen, die veelvouden zijn van de oorspronkelijke laserfrequentie. De onderzoekers concentreerden zich op twee specifieke harmonischen: de vierde en de vijfde. Ze ontdekten dat deze twee kleuren licht afkomstig waren van twee verschillende regio's in het materiaal, bekend als valleien, die fungeren als aparte rijstroken voor de elektronen. De vierde harmonische werd bijna volledig uitgezonden vanuit één vallei, terwijl de vijfde bijna volledig uit de andere kwam. Deze scheiding was zo compleet dat de twee valleien effectief in tegenovergestelde richtingen straalden, wat een scherp contrast creëerde dat niet zou bestaan als het materiaal perfect glad zou zijn.

Het team toonde aan dat dit contrast een directe maat is voor de mate waarin het atomaire rooster het pad van het elektron verstoort. In een perfect gladde, theoretische versie van grafeen waar het rooster niet bestaat, zou het contrast tussen de twee valleien nul zijn. De onderzoekers ontdekten dat naarmate ze de sterkte van de laser verhoogden, het contrast op een voorspelbare manier groeide. Voor de vierde harmonische groeide het signaal lineair met de verstoring, wat betekende dat het een directe, eerste-orde meting was van de invloed van het rooster. Dit bleef waar, zelfs bij laserintensiteiten van zo hoog als 15 miljoen volt per centimeter, wat sterk genoeg is om het materiaal te beschadigen maar nog steeds onder het punt ligt waarop het grafeen zou worden vernietigd. Dit stelde hen in staat om de overgang van de gladde wereld met lage energie naar de ruwe wereld met hoge energie, waar het atomaire rooster de overhand neemt, in kaart te brengen.

De vijfde harmonische vertelde een ander verhaal. Deze begon tekenen te vertonen van nog complexere, hogere-orde verstoringen bij lagere laserintensiteiten, rond de 10 miljoen volt per centimeter. Dit suggereert dat verschillende harmonischen fungeren als sondes voor verschillende lagen van de structuur van het materiaal. De vierde harmonische onthult de primaire vorm van de invloed van het rooster, terwijl de vijfde harmonische begint de fijnere, meer ingewikkelde details van de atomaire rangschikking waar te nemen. De onderzoekers bevestigden dat de sterkte van het laserveld werkt als de energie van een botsing in een deeltjesversneller. Door simpelweg het vermogen van de laser op te voeren, konden ze de elektronen verder van hun rustpunten drijven, waardoor ze effectief dieper in de structuur van het materiaal scanden totdat de gladde benadering bezweek.

Dit werk biedt een praktische manier om de breuk van fundamentele symmetrieën te bestuderen in een laboratoriumexperiment op een tafelblad. In plaats van een enorme machine nodig te hebben om de grenzen van de ruimtetijd te verkennen, kunnen wetenschappers grafeen en lasers gebruiken om te observeren hoe een gladde, continue theorie faalt wanneer deze tot haar uiterste wordt gedreven. De studie demonstreert dat het contrast tussen het licht dat uit verschillende valleien wordt uitgezonden, een veel gevoeliger detector van het atomaire rooster is dan simpelweg tellen hoeveel elektronen er in elke vallei zijn. Terwijl het aantal elektronen in elke vallei slechts licht verandert, verandert het licht dat zij uitzenden drastisch, wat een duidelijk signaal geeft van het onderliggende rooster. Deze aanpak verandert een laag koolstof in een precies instrument om de korrelige aard van materie te meten, waarmee de kloof wordt overbrugd tussen de gladde wetten van de relativiteit en de grillige realiteit van de atomaire wereld.