L'armonia topologica

Giovedì, 12 Maggio, 2016

L’armonia topologica
Gli isolanti topologici come il Bi2Se3 hanno una struttura elettronica stratificata. Le loro superfici sono metalliche e caratterizzate da un gas di elettroni liberi con una dispersione lineare energia/impulso E(p)=VFp (elettroni di Dirac).
Il loro volume è invece isolante con delle bande elettroniche a dispersione parabolica (elettroni di Schrödinger). La struttura elettronica intrinsecamente stratificata e la presenza di elettroni di Dirac sono conseguenza di una topologia elettronica esotica che rende il Bi2Se3 “topologicamente non equivalente” ad altri isolanti presenti in natura quali, per esempio, il silicio, il diamante oppure il vuoto.

Il gas di elettroni liberi di Dirac sulla superficie del Bi2Se3 può sostenere in regime lineare eccitazioni di singola particella ed eccitazioni plasmoniche (P. Di Pietro et al., Nature Nanotechnology 8, 556 (2013); M. Autore et al., Nanoscale 8, 4667 (2016)).
Tuttavia l’interazione isolanti topologici/ radiazione elettromagnetica prevede anche dei termini non lineari nel campo elettrico E di interazione e un termine di accoppiamento E•B (dove B è il campo magnetico), che è conosciuto nella fisica delle alte energie come termine elettromagnetico assionico. Tali termini potrebbero essere osservati nella risposta elettromagnetica terahertz degli isolanti topologici (1 THz=33 cm-1=4 meV=300 microns) quando la radiazione incidente presenta campi elettrici elevati (E>100 kV/cm).

Le proprietà elettromagnetiche esotiche del Bi2Se3 sono state studiate recentemente attraverso una collaborazione tra il laboratorio Teralab del Dipartimento di Fisica della Sapienza, la sezione di Roma La Sapienza dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e il laboratorio test facility SPARC-LAB presso i laboratori LNF-INFN di Frascati dove è presente una sorgente di radiazione terahertz ad alti campi (E~1.5 MV/cm, E. Chiadroni et al., Applied Phys. Lett. 102, 094101 (2013)).

L’esperimento svolto a SPARC-LAB ha mostrato che il Bi2Se3 quando viene illuminato con radiazione terahertz di alta intensità emette a frequenze corrispondenti alle armoniche della radiazione incidente (F. Giorgianni et al., Nature Communications 7, Article number: 11421 (2016) doi:10.1038/ncomms11421). La generazione d’armonica è legata alla presenza di elettroni di Dirac sulla superficie del Bi2Se3 e quindi alle sue caratteristiche topologiche esotiche. L’emissione di armoniche permette di modulare la trasmittanza terahertz attraverso il campo elettromagnetico incidente con un’efficienza di generazione dell’ordine del %, e superiore a quella ottenuta col grafene (l’unico altro materiale con elettroni di Dirac), nella stessa regione spettrale.

Questo lavoro sperimentale apre la strada alla manipolazione dei materiali sotto alti campi elettrici e allo sviluppo di assorbitori terahertz saturabili al femtosecondo che possono costituire la base delle nuove tecnologie laser in questa regione spettrale.

Info
Stefano Lupi
INFN e Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
Tel. (+39) 06 49693473
stefano.lupi@roma1.infn.it