[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出一种实空间、全光学的方法，利用定制的少周期飞秒激光脉冲，实现对二维材料中电子的超快、谷选择性激发。通过调控非共振光的亚周期电场结构，实现了在远短于谷寿命的时间尺度上对谷自由度的相干控制，从而通过拓扑弗洛凯工程实现太赫兹至拍赫兹的谷电子学操作。

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.

研究动机与目标

• 在亚周期时间尺度上，实现对二维固体中谷特异性电子态的相干、全光学控制。
• 通过利用具有完整电场控制的定制光脉冲，克服超快谷操控的挑战。
• 开发一种非元素特异性的稳健方法，用于在二维材料中写入、操控和读取谷激发。
• 将拓扑弗洛凯系统的概念拓展至少飞秒时间域，以实现谷电子学的实际应用。

提出的方法

• 该方法使用非共振、少飞秒激光脉冲，并精确控制其亚周期电场轮廓，以驱动二维材料中的电子动力学。
• 将拓扑弗洛凯系统的频域概念应用于实时域，通过设计的光场实现对谷态的动态控制。
• 该方法依赖于对激光脉冲的时域包络和载波相位进行整形，以构建一个时间依赖的有效哈密顿量，该哈密顿量选择性地耦合至某一谷。
• 该控制机制具有鲁棒性和普适性，适用于广泛的光频率和材料体系，无需元素特异性调谐。
• 该方法可在无需共振激发或材料特异性参数的情况下实现相干谷激发。
• 该方法在短于谷寿命的时间尺度上运行，确保了谷态的稳定性和可测量性，适用于信息处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用非共振、少飞秒激光脉冲对谷选择性电子激发实现相干控制？
• RQ2 如何设计光场的亚周期结构，以在二维材料中诱导拓扑弗洛凯态？
• RQ3 能否通过全光学、非元素特异性的方法实现在拍赫兹速率下的谷电子学操作？
• RQ4 该控制机制是否可在不同材料和光频率下保持鲁棒性和普适性？
• RQ5 在保持谷相干性的同时，实现相干谷操控所需的最短时间尺度是多少？

主要发现

• 该方法仅通过非共振激光脉冲的亚周期结构，即可在二维材料中实现谷选择性电子激发。
• 该控制机制在远短于谷寿命的时间尺度上运行，确保了谷态的稳定性和可测量性。
• 该方法为全光学且非元素特异性，可在不同二维材料和光频率下广泛适用。
• 该技术实现了拓扑弗洛凯工程的实空间实现，将其原理拓展至少飞秒时间域。
• 该技术仅通过定制光场即可实现谷激发的相干写入、操控和读出，无需共振条件或材料特异性调谐。
• 该方法为基于光波控制电子动力学的超快、太赫兹至拍赫兹谷电子学器件提供了一条通用且稳健的路径。