Trójwymiarowe materiały do zastosowań w elektronice
Uczestnicy projektu OPTCHATRA (Optical charge transfer processes in early stages of photosynthesis from first-principle computational techniques) udowodnili, że femtosekundowe impulsy laserowe można wykorzystać do przełączania stanów półmetali Diraca i izolatorów topologicznych. Półmetale cieszą się ostatnio olbrzymim zainteresowaniem. Oprócz podstawowej funkcji, jaką jest skupienie fermionów elementarnych w postaci skondensowanej materii, materiały te posiadają również niezwykłe właściwości, takie jak duża ujemna magnetorezystancja. Stany topologiczne tych materiałów są ściśle zależne od symetrii. Zwykle na symetrie można wpływać tylko poprzez powolną zmianę naprężeń, domieszkowania półprzewodników lub pól magnetycznych i elektrycznych. Zastosowanie ultraszybkiej skali, tzw. formuły Floqueta, umożliwia dynamiczne łamanie symetrii. Korzystając z czasowo zależnej teorii funkcjonału gęstości (TDDFT), naukowcy wykazali, że półmetale powstają w wyniku złamania symetrii odwrócenia czasu. Takie złamanie można uzyskać, stosując spolaryzowane kołowo impulsy laserowe o różnej sile. Za pomocą modeli TDDFT przeanalizowano właściwości elektroniczne oraz przeprowadzono dynamiczną klasyfikację materiałów. W rzeczywistości podejście przyjęte w projekcie OPTCHATRA pozwoliło uzyskać rezultaty nieosiągalne w przypadku innych modeli teoretycznych. Przykładowo podczas spolaryzowanego liniowo pompowania oddziaływania między elektronami indukują zjawisko złamania symetrii. Do zilustrowania koncepcji dynamicznych półmetali badacze wykorzystali opis ab initio Na3Bi – topologicznego półmetalu Diraca. Mimo że wyniki projektu skupiają się głównie na prototypowym półmetalu Na3Bi, można je traktować jako typowe dla dowolnego półmetalu Diraca, co szczegółowo opisano w czasopiśmie Nature Communications artykuł. Ta klasa materiałów stanowi przykład niezwykłego stanu materii kwantowej określanego mianem „grafenu 3D”. Przewiduje się, że materiały te będą posiadać zdumiewające właściwości elektroniczne i będą służyć jako platforma umożliwiająca systematyczne badanie kwantowych przejść fazowych. Wyniki projektu OPTCHATRA pozwoliły dokonać znaczących postępów w tym nowym obszarze badań materiałowych.
Słowa kluczowe
OPTCHATRA, femtosekundowe impulsy laserowe, półmetal Diraca, izolator topologiczny, złamanie symetrii
