Учёные из Йенского университета имени Фридриха Шиллера и Регенсбургского университета (Германия) предложили метод, позволяющий с помощью света измерять квантовое свойство электронов, которое до сих пор было трудно определить экспериментально. Речь идёт о кривизне Берри - величине, описывающей геометрические особенности квантовых состояний электронов. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.

В кристалле электроны ведут себя не как маленькие шарики, катящиеся по заданным траекториям. Их поведение определяется квантовыми состояниями, а их геометрические свойства исследователи объединяют термином "квантовая геометрия". Кривизна Берри - один из ключевых параметров: среди прочего она влияет на то, как электроны откликаются на свет и электрические поля.

До сих пор кривизну Берри в основном рассчитывали теоретически или изучали сложными экспериментальными способами. Группа из Йены и Регенсбурга пошла иным путём: она совместила оптические измерения с аналитической моделью и смогла количественно оценить локальную кривизну Берри материала.

"Мы хотели сделать доступным квантовое свойство, которое до сих пор было трудно определить экспериментально, - говорит ведущий автор Неле Торнов из Института физики твёрдого тела Йенского университета. - Особенность нашего подхода в том, что мы объединяем оптический эксперимент с теоретической моделью и получаем конкретное значение кривизны Берри".

Для опыта использовали диселенид вольфрама - полупроводник, исследуемый слой которого тоньше одного нанометра. Такие атомарно тонкие материалы особенно сильно реагируют на свет и хорошо подходят для нелинейно-оптических экспериментов.

На образец направили два сверхкоротких лазерных импульса. Первый на долю секунды изменяет электронные состояния материала, второй оптически фиксирует это изменение. В результате возникает свет с удвоенной частотой по сравнению с падающим. По его поляризации - попросту говоря, по тому, как колеблется свет, - исследователи получают информацию о кривизне Берри.

Эффект протекает за несколько сотен фемтосекунд. Фемтосекунда - это одна миллионная от одной миллиардной доли секунды. Если направление вращения первого лазерного импульса с круговой поляризацией меняют, знак измеряемого сигнала тоже меняется на противоположный. По данным измерений учёные определили кривизну Берри, и результат совпал с теоретическими расчётами.

"Этот оптический метод позволяет исследовать такие свойства на крайне коротких временных масштабах, - отмечает Джанкарло Соави из Института физики твёрдого тела и Центра фотоники Аббе Йенского университета. - В будущем это даст нам возможность отслеживать, как квантовая геометрия материала меняется в ходе очень быстрых процессов".

Хотя эксперимент провели на диселениде вольфрама, авторы подчёркивают: принцип не ограничен этим классом материалов. И метод измерения, и модель, разработанная совместно с коллегами из Регенсбурга, в принципе применимы и к другим материалам. В перспективе подход может помочь детальнее изучать геометрические свойства электронных состояний и лучше понимать их поведение в быстрых оптических процессах.

Источник: Phys.org