Failure of conductance quantization in two-dimensional topological insulators due to non-magnetic impurities

Despite topological protection and the absence of magnetic impurities, two-dimensional topological insulators display quantized conductance only in surprisingly short channels, which can be as short as 100 nm for atomically thin materials. We show that the combined action of short-range nonmagnetic impurities located near the edges and on site electron-electron interactions effectively creates noncollinear magnetic scatterers, and, hence, results in strong backscattering. The mechanism causes deviations from quantization even at zero temperature and for a modest strength of electron-electron interactions. Our theory provides a straightforward conceptual framework to explain experimental results, especially those in atomically thin crystals, plagued with short-range edge disorder.Comment: 8 pages, 9 figures, 5 appendice

Mixed regime of light-matter interaction revealed by phase sensitive measurements of the dynamical Franz-Keldysh effect

The speed of ultra-fast optical switches is generally limited by the intrinsic electronic response time of the material. Here we show that the phase content of selected electromagnetic pulses can be used to measure the timescales characteristic for the different regimes of matter-light interactions. By means of combined single cycle THz pumps and broadband optical probes, we explore the field-induced opacity in GaAs (the Franz-Keldysh effect). Our phase-resolved measurements allow to identify a novel quasi-static regime of saturation where memory effects are of relevance

Optical and plasmonic properties of twisted bilayer graphene: Impact of interlayer tunneling asymmetry and ground-state charge inhomogeneity

We present a theoretical study of the local optical conductivity, plasmon spectra, and thermoelectric properties of twisted bilayer graphene (TBG) at different filling factors and twist angles $\theta$. Our calculations are based on the electronic band structures obtained from a continuum model that has two tunable parameters, $u_0$ and $u_1$, which parametrize the intra-sublattice inter-layer and inter-sublattice inter-layer tunneling rate, respectively. In this Article we focus on two key aspects: i) we study the dependence of our results on the value of $u_0$, exploring the whole range $0\leq u_0\leq u_1$; ii) we take into account effects arising from the intrinsic charge density inhomogeneity present in TBG, by calculating the band structures within the self-consistent Hartree approximation. At zero filling factor, i.e. at the charge neutrality point, the optical conductivity is quite sensitive to the value of $u_0$ and twist angle, whereas the charge inhomogeneity brings about only modest corrections. On the other hand, away from zero filling, static screening dominates and the optical conductivity is appreciably affected by the charge inhomogeneity, the largest effects being seen on the intra-band contribution to it. These findings are also reflected by the plasmonic spectra. We compare our results with existing ones in the literature, where effects i) and ii) above have not been studied systematically. As natural byproducts of our calculations, we obtain the Drude weight and Seebeck coefficient. The former displays an enhanced particle-hole asymmetry stemming from the inhomogeneous ground-state charge distribution. The latter is shown to display a broad sign-changing feature even at low temperatures ($\approx 5~{\rm K}$) due to the reduced slope of the bands, as compared to those of single-layer graphene.Comment: 28 pages, 16 figures, 6 appendice

In search of selective excitations for studying out-of-equilibrium properties in strongly correlated electron systems and high temperature superconductors

2011/2012Negli ossidi dei metalli di transizione le correlazioni elettroniche, magnetiche e reticolari sono all’origine di peculiari proprietà fisiche come la resistenza magnetica colossale e la superconduttività ad alta temperatura critica. La spettroscopia risolta in tempo è uno strumento unico per separare il contributo dei singoli gradi di libertà. Inoltre, tale tecnica può essere usata per indurre transizioni di fase non-termiche nella materia condensata. In particolare, scegliendo appositi impulsi pompa in combinazione con impulsi sonda in grado di misurarne gli effetti, è possibile “guidare” la materia nello stato fisico desiderato tramite un’eccitazione selettiva. I primi capitoli della tesi introducono lo stato dell’arte, le tecniche sperimentali e i modelli usati per studiare le proprietà ottiche dei cristalli fuori equilibrio. I capitoli successivi sono dedicati a singoli materiali: abbiamo eseguito misure di riflettività risolte in tempo con pompa nel visibile e sonda ad ampio spettro (1-3 eV) su alcuni isolanti di Mott (YVO3 e La2CuO4) e superconduttori (YBa2Cu3O7-d), e con pompa THz (1 THz~4 meV) su GaAs. YVO3 è un prototipico isolante di Mott e mostra una varietà di fasi caratterizzate da peculiari ordini orbitali e magnetici in funzione della temperatura. In questo sistema le eccitazioni ottiche sono direttamente collegate al grado di libertà orbitale, magnetico o elettronico, ma la loro interpretazione è controversa. Eseguendo misure di riflettività risolte in tempo e frequenza abbiamo dimostrato che le due transizioni ottiche ad energie minori (1.8 eV e 2.4 eV) appartengono alla stessa banda: in particolare, la transizione a 1.8 eV è interpretabile come un eccitone di Hubbard, ovvero uno stato quasi legato stabilizzato da una diminuzione di energia cinetica. Inoltre, abbiamo suggerito l’interpretazione della fase metastabile (che sopravvive almeno fino a 1 ns dopo la foto-eccitazione) come una fase disordinata di spin, e che il materiale potrebbe pertanto essere utilizzato come interruttore magnetico ultra-veloce (F.Novelli et al., Phys. Rev. B 86, 165135, 2012). Per studiare la dipendenza della risposta ottica transiente dei cuprati dalla lunghezza d’onda della pompa ci siamo concentrati sul La2CuO4. I nostri risultati dimostrano che l’effetto degli impulsi di pompa non può sempre essere trattato come semplice perturbazione della temperatura del sotto-sistema elettronico, poiché dinamiche molto diverse vengono rivelate quando l’energia degli impulsi di pompa è maggiore o minore dell’energia del gap di trasferimento di carica, che si trova a circa 2 eV. In particolare foto-eccitare sopra gap è analogo ad un aumento di temperatura, mentre foto-eccitare sotto gap “indurisce” il gap di trasferimento di carica. Ciò suggerisce l’esistenza di eccitazioni a bassa energia che inducono una rinormalizzaizione non termica del gap (in preparazione). Per studiare l’interazione fra grado di libertà vibrazionale e grado di libertà elettronico nei sistemi a forte correlazione elettronica abbiamo utilizzato impulsi di pompa con lunghezza d’onda centrale pari a 800 nm e impulsi di sonda nell’intervallo 400-1200 nm su film sottili di YBa2Cu3O7-d drogato in modo ottimale. Le oscillazioni della riflettività transiente palesano due fononi con frequenze di pochi THz che coinvolgono rispettivamente vibrazioni, pressoché pure, di Ba e Cu. Mentre il modo del rame è indipendente, il modo del bario risulta chiaramente accoppiato alla fase superconduttiva. L’ampiezza delle oscillazioni del modo del bario aumenta sotto la temperatura critica e la sua distribuzione spettrale è modificata quando il condensato viene sciolto dagli impulsi di pompa. I nostri risultati offrono una nuova prospettiva nell’interpretazione della dinamica delle transizioni inter-banda dei cuprati che subiscono forti modificazioni sotto TC (in preparazione). Abbiamo studiato un regime misto nell’interazione fra luce e materia tramite misure risolte in fase dell’effetto Franz-Keldysh nell’arseniuro di gallio. L’effetto Franz-Keldysh consiste nella perturbazione delle proprietà ottiche di un semiconduttore in una regione energetica intorno al gap a seguito dell’applicazione di un campo elettrico. Le misure sono state effettuate con impulsi di pompa ultra corti a singolo ciclo ottico nella regione spettrale del terahertz, e impulsi di sonda ad ampio spettro nella regione spettrale del visibile. Regolando l’intensità degli impulsi di pompa abbiamo studiato sia l’effetto Franz-Keldysh dinamico che un nuovo regime di saturazione in cui la “memoria” è importante, ovvero in cui la risposta ottica intorno al gap dipende da una funzione integrale del campo elettrico applicato. I nostri risultati potrebbero essere utili nell’ambito della strumentazione ottica ultra-veloce (F. Novelli et al., Scientific Reports 3, 1227, 2013). In conclusione, abbiamo dimostrato che le eccitazioni selettive sono certamente possibili in diversi ossidi dei metalli di transizione tramite tecniche spettroscopiche ultra-veloci risolte in tempo e frequenza: importanti informazioni fisiche possono essere ottenute regolando il contenuto energetico degli impulsi laser utilizzati.XXV Ciclo198

Pulsed homodyne Gaussian quantum tomography with low detection efficiency

Pulsed homodyne quantum tomography usually requires a high detection efficiency limiting its applicability in quantum optics. Here, it is shown that the presence of low detection efficiency ($<50\%$) does not prevent the tomographic reconstruction of quantum states of light, specifically, of Gaussian type. This result is obtained by applying the so-called "minimax" adaptive reconstruction of the Wigner function to pulsed homodyne detection. In particular, we prove, by both numerical and real experiments, that an effective discrimination of different Gaussian quantum states can be achieved. Our finding paves the way to a more extensive use of quantum tomographic methods, even in physical situations in which high detection efficiency is unattainable

Time-domain THz spectroscopy reveals coupled protein-hydration dielectric response in solutions of native and fibrils of human lyso-zyme

Here we reveal details of the interaction between human lysozyme proteins, both native and fibrils, and their water environment by intense terahertz time domain spectroscopy. With the aid of a rigorous dielectric model, we determine the amplitude and phase of the oscillating dipole induced by the THz field in the volume containing the protein and its hydration water. At low concentrations, the amplitude of this induced dipolar response decreases with increasing concentration. Beyond a certain threshold, marking the onset of the interactions between the extended hydration shells, the amplitude remains fixed but the phase of the induced dipolar response, which is initially in phase with the applied THz field, begins to change. The changes observed in the THz response reveal protein-protein interactions me-diated by extended hydration layers, which may control fibril formation and may have an important role in chemical recognition phenomena

Vibronic resonances facilitate excited state coherence in light harvesting proteins at room temperature

Until recently it was believed that photosynthesis, a fundamental process for life on earth, could be fully understood with semi-classical models. However, puzzling quantum phenomena have been observed in several photosynthetic pigment-protein complexes, prompting questions regarding the nature and role of these effects. Recent attention has focused on discrete vibrational modes that are resonant or quasi-resonant with excitonic energy splittings and strongly coupled to these excitonic states. Here we unambiguously identify excited state coherent superpositions in photosynthetic light-harvesting complexes using a new experimental approach. Decoherence on the timescale of the excited state lifetime allows low energy (56 cm-1) oscillations on the signal intensity to be observed. In conjunction with an appropriate model, these oscillations provide clear and direct experimental evidence that the persistent coherences observed require strong vibronic mixing among excited states

Persistent coherence of quantum superpositions in an optimally doped cuprate revealed by 2D spectroscopy

Understanding of the precise mechanisms of high-temperature superconductivity is elusive. In particular, in order to solve the puzzle of the pairing mechanism, it is important to understand the detailed nature of the excitations at energies around the superconducting gap. While measurements of the dynamics of excited electronic populations have been able to give some insight, they have largely neglected the intricate dynamics of quantum coherence. Here, we apply multidimensional coherent spectroscopy for the first time to a prototypical cuprate and report unprecedented coherent dynamics persisting for ~500 fs, originating directly from the quantum superposition of optically excited states separated by 20 - 60 meV. These results reveal the correlation between high and low energy excitations, and indicate that the interplay between many-body states on different energy scales conserves phase coherence. In revealing these dynamics we demonstrate that multidimensional coherent spectroscopy can address electronic correlations and interrogate many-body quantum systems in unprecedented ways

Hubbard exciton revealed by time-domain optical spectroscopy

We use broadband ultra-fast pump-probe spectroscopy in the visible range to study the lowest excitations across the Mott-Hubbard gap in the orbitally ordered insulator YVO3. Separating thermal and non-thermal contributions to the optical transients, we show that the total spectral weight of the two lowest peaks is conserved, demonstrating that both excitations correspond to the same multiplet. The pump-induced transfer of spectral weight between the two peaks reveals that the low-energy one is a Hubbard exciton, i.e. a resonance or bound state between a doublon and a holon. Finally, we speculate that the pump-driven spin-disorder can be used to quantify the kinetic energy gain of the excitons in the ferromagnetic phase.Comment: 5 pages and 6 figures, 9 pages and 12 figures with additional material