Скрытые симметрии открывают новые способы управления светом в квантовых материалах

Свет может выступать как в роли зонда, так и элемента управления для квантовых материалов. Автор: Навдип Рана

Группа исследователей обнаружила, как малоизвестный тип симметрии в квантовых материалах, называемый несимморфной симметрией, управляет взаимодействием этих материалов с интенсивным лазерным излучением.

Работа опубликована в журнале Physical Review Applied как письмо. Результаты выявляют удивительные эффекты — включая подавление четных откликов и поразительные поляризационно-зависимые реакции — которые могут позволить создание электроники и квантовых устройств следующего поколения на основе световых волн.

Когда нарушенная симметрия ведет себя неожиданно

В большинстве материалов нарушение инверсионной симметрии (зеркального свойства) позволяет генерировать четные отклики, такие как сигналы второй гармоники, при воздействии света. Но в нодальных полуметаллах (NLS) исследователи наблюдали противоположное: все четные отклики исчезают, остаются только нечетные оптические отклики.

Этот контр-интуитивный эффект возникает из несимморфной симметрии — тонкой структурной особенности, где зеркальные отражения сочетаются с дробными атомными сдвигами. Несмотря на отсутствие инверсионной симметрии, это скрытое правило обеспечивает подавление четных гармоник.

Свет как отпечаток симметрии

Настоящее исследование также выявило поразительные закономерности в том, как эти квантовые материалы излучают свет. При воздействии интенсивного лазера излучаемый свет демонстрирует двукратную анизотропию, то есть отклик излучаемого света резко меняется с поляризацией света, образуя «бабочкообразную» картину излучения.

Кроме того, некоторые из излучаемых сигналов появляются вдоль направления падающего лазера, а другие возникают под прямыми углами, что напоминает нелинейный эффект Холла. Более того, внутрицепочечные и межцепочечные электроны в движении NLS оставляют разные отпечатки на излучаемом свете в зависимости от ориентации лазера.

«Эти результаты показывают, как скрытые кристаллические симметрии могут неожиданным образом управлять взаимодействием света и материи», — сказал профессор Гопал Диксит из IIT Bombay. — «Настраивая поляризацию света, мы можем выборочно усиливать или подавлять оптические сигналы, открывая мощные новые возможности для сверхбыстрых технологий».

Квантовые полуметаллы, такие как нодальные, дираковские и вейлевские системы, уже рассматриваются как кандидаты для будущих электронных, оптических и квантовых устройств из-за их необычных электронных свойств. Продемонстрировав, как несимморфная симметрия уникальным образом формирует их нелинейный оптический отклик, исследование указывает на стратегии для симметрийно-инженерных оптоэлектронных платформ.

«Устройства, управляемые световыми волнами, — это рубеж сверхбыстрой науки», — добавил Навдип Рана, первый автор исследования. — «Настоящая работа показывает, что ключ к раскрытию их полного потенциала лежит в скрытых симметриях квантовых материалов».

Исследование объединяет области квантовых материалов, сверхбыстрой лазерной науки и нелинейной оптики, демонстрируя, как фундаментальные открытия о симметрии могут преобразовываться в реальный технологический потенциал.

Больше информации: Navdeep Rana et al, Nonlinear optical spectroscopy of nodal line semimetals, Physical Review Applied (2025). DOI: 10.1103/3xs5-km1v

Источник: Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy