[論文レビュー] Ultrafast topology for strong-field valleytronics

Álvaro Jiménez-Galán, R. E. F. Silva+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、整形された数フェムト秒のレーザーパルスを用いて、2次元材料における超高速でバルク選択的な電子励起を実現する、実空間的で全光学的手法を提案する。非共鳴光のサブサイクル電場構造を整形することにより、バルク自由度のためのコherent制御を、バルク寿命よりもはるかに短い時スケールで達成し、トポロジカルフロケット工学を用いてテラヘルツからペタヘルツのバルクトロニクス操作を可能にする。

ABSTRACT

Modern light generation technology offers extraordinary capabilities for sculpting light pulses, with full control over individual electric field oscillations within each laser cycle. These capabilities are at the core of lightwave electronics - the dream of ultrafast lightwave control over electron dynamics in solids, on a few-cycle to sub-cycle timescale, aiming at information processing at tera-Hertz to peta-Hertz rates. Here we show a robust and general approach to valley-selective electron excitations in two-dimensional solids, by controlling the sub-cycle structure of non-resonant driving fields at a few-femtosecond timescale. Bringing the frequency-domain concept of topological Floquet systems to the few-fsec time domain, we develop a transparent control mechanism in real space and an all-optical, non-element-specific method to coherently write, manipulate and read selective valley excitations using fields carried in a wide range of frequencies, on timescales that can be much shorter than the valley lifetime, crucial for implementation of valleytronic devices.

研究の動機と目的

• サブサイクル時スケールで2次元固体におけるバルク特異的電子状態のコherent、全光学的制御を達成すること。
• 完全な電場制御を有する整形された光パルスを活用することで、超高速バルク操作の課題を克服すること。
• 元素に依存しない、強固な方法を確立し、2次元材料におけるバルク励起の書き込み、操作、読み取りを可能にすること。
• トポロジカルフロケット系の概念を、数フェムト秒時間領域にまで拡張し、実用的バルクトロニクス応用に応用すること。

提案手法

• 非共鳴的で数フェムト秒のレーザーパルスを用い、2次元材料内の電子ダイナミクスを駆動する。このパルスは、正確に制御されたサブサイクル電場プロファイルを持つ。
• トポロジカルフロケット系の周波数領域の概念を実時間領域に応用し、設計された光場を用いてバルク状態の動的制御を可能にする。
• レーザーパルスの時間的エンベロープおよびキャリア位相を整形することで、特定のバルクにのみ結合する時間依存有効ハミルトニアンを生成する。
• 制御メカニズムは強固で一般化可能であり、元素の特定が不要で、広範な光学周波数および材料系に適用可能である。
• 共鳴励起や材料特異的パrameterの必要なしに、コherentなバルク励起を可能にする。
• バルク寿命よりも短い時スケールで動作するため、情報処理に適した安定的かつ測定可能なバルク状態を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共鳴的で数フェムト秒のレーザーパルスを用いて、バルク選択的電子励起をコherentに制御できるか？
• RQ2 光場のサブサイクル構造をどのように設計すれば、2次元材料にトポロジカルフロケット状態を誘発できるか？
• RQ3 全光学的で元素に依存しない方法により、ペタヘルツレートでのバルクトロニクス操作を達成できるか？
• RQ4 この制御メカニズムは、異なる材料や光学周波数に対して強固で一般化可能か？
• RQ5 バルクコherenceを保ちながら、コherentなバルク操作を達成するための最小時間スケールは何か？

主な発見

• 本手法は、非共鳴レーザーパルスのサブサイクル構造のみを用いて、2次元材料におけるバルク選択的電子励起を可能にする。
• 制御メカニズムはバルク寿命よりも著しく短い時スケールで動作し、安定的かつ測定可能なバルク状態を保証する。
• 本手法は全光学的かつ元素に依存しないため、さまざまな2次元材料および光学周波数に広く適用可能である。
• 本技術は、トポロジカルフロケット工学の実空間実装を実現し、その原則を数フェムト秒領域にまで拡張する。
• 共鳴条件や材料特異的チューニングを必要とせず、整形された光場のみでバルク励起のコherentな書き込み、操作、読み取りを実現する。
• 本手法は、光波動による電子ダイナミクス制御に基づく、超高速でテラヘルツからペタヘルツのバルクトロニクス素子への一般的で強固な道筋を提供する。