Ultrafast light-wave-driven chiro-optical interactions in low-dimensional systems

Arising at the interface between two-dimensional materials and ultrafast lasers, valleytronics offers the opportunity to realize light-driven control of quantum properties. The momentum location of a quasiparticle in one of the multiple degenerate, yet inequivalent, minima of the Brillouin zone is leveraged as the information bit. Transition metal dichalcogenide monolayers are naturally inversion-symmetrybroken crystals, in which the K and K' valleys can be selectively addressed with circularly polarized light. This property makes them the prototypical platform for valleytronics. However, once a valley population is initialized, it decays on timescales of hundreds of femtoseconds, preventing relevant technological applications so far. Here, we present novel approaches and techniques to manipulate the valley pseudospin with lightwaves within its decoherence time and to advance the understanding of chiro-optical interactions in valleytronic platforms. In particular, we show that a train of orthogonally polarized pulses can lead to the excitation and subsequent de-excitation or amplification of a valley population. First, we induce a coherent superposition of valley states. Then, by timing the interpulse delays with sub-femtosecond precision, we induce coherent valley-selective transitions employing solely linearly polarized pulses. Our findings are supported by first-principles simulations. Our protocol allows for 10 THz operation rates at room temperature, recorded with single-color time-resolved Faraday rotation (TRFR). We expand on TRFR by presenting a full time-resolved chiro-optical spectroscopy technique. Employing a birefringent interferometer and an optical polarization bridge detection scheme, we access the energy-resolved complex chiro-optical susceptibility of a material, χch. The imaginary and real parts of χch correspond, respectively, to circular dichroism (CD) and optical rotatory dispersion (ORD). Employing a pump-probe scheme, we record the transient evolution of CD and ORD on ultrafast timescales. Our self-heterodyned ellipsometric approach allows us to reach unprecedented sensitivity (< 50 µdeg). We also explore different regimes by driving a WS2 monolayer with phase-stable, linearly polarized, non-resonant pulses. We show that strong mid-infrared pulses induce a dramatic symmetry breaking, highly dependent on the relative orientation between the radiation polarization and the crystal. We track the sub-cycle temporal evolution of the second-harmonic generation using a second ultrashort near-infrared pulse acting as the fundamental. Our findings reveal a clear field driven dynamic chirality encoded in the temporal phase shift of the signal with respect to the driver. A simple model, underpinned by symmetry arguments, provides a qualitative explanation of the observations. Overall, our findings advance the understanding of ultrafast valley and chirooptical dynamics in two-dimensional materials and their link with optical nonlinearities. They also establish new pathways for lightwave control of valley degrees of freedom beyond conventional optical selection rules.

Nata all’interfaccia tra materiali bidimensionali e laser ultraveloci, la valleytronica offre l’opportunità di realizzare un controllo delle proprietà quantistiche tramite la luce. La posizione in momento di una quasiparticella in uno dei molteplici minimi degeneri, ma non equivalenti, della zona di Brillouin viene sfruttata come bit di informazione. I monostrati di dicalcogenuri dei metalli di transizione sono cristalli naturalmente privi di simmetria di inversione, nei quali le valli K e K' possono essere eccitate selettivamente mediante luce circolarmente polarizzata. Questa proprietà li rende una piattaforma ideale per la valleytronica. Tuttavia, una volta inizializzata una popolazione di valle, essa decade su scale temporali di centinaia di femtosecondi, impedendo finora applicazioni tecnologiche rilevanti. In questo lavoro presentiamo nuovi approcci e tecniche per manipolare lo pseudospin di valle mediante campi ottici entro il suo tempo di decoerenza, e per avanzare la comprensione delle interazioni chiro-ottiche in materiali bidimensionali. In particolare, mostriamo che una sequenza di impulsi con polarizzazioni ortogonali può portare all’eccitazione e alla successiva de-eccitazione o amplificazione di una popolazione di valle. Inizialmente, induciamo una sovrapposizione coerente degli stati di valle. Successivamente, regolando i ritardi tra gli impulsi con precisione al sub-femtosecondo, induciamo transizioni coerenti selettivamente in K o K' impiegando esclusivamente impulsi linearmente polarizzati. Le dinamiche della polarizzazione di valle sono misurate mediante rotazione di Faraday risolta nel tempo a singolo colore (TRFR) e i risultati sono supportati da simulazioni. Il nostro protocollo consente frequenze operative fino a 10 THz a temperatura ambiente. Successivamente, estendiamo la TRFR presentando una tecnica di spettroscopia chiro-ottica risolta nel tempo e in lunghezza d’onda. Impiegando un interferometro birefringente e uno schema di misura basato su un prisma di Wollaston e fotodiodi bilanciati, accediamo alla suscettività chiro-ottica complessa risolta in energia di un materiale, χch. Le parti immaginaria e reale di χch corrispondono rispettivamente al dicroismo circolare (CD) e alla dispersione rotatoria ottica (ORD). Utilizzando uno schema pump-probe, registriamo l’evoluzione transiente di CD e ORD su scale temporali ultraveloci. Il nostro approccio ellissometrico auto-eterodinato consente di raggiungere una sensibilità senza precedenti (< 50 µdeg). Esploriamo inoltre diversi regimi eccitando un monostrato di WS2 con impulsi non risonanti, linearmente polarizzati e stabili in fase. Mostriamo che impulsi intensi nel medio infrarosso (driver) inducono una marcata rottura di simmetria, fortemente dipendente dall’orientazione relativa tra la polarizzazione della radiazione e il cristallo. Tracciamo l’evoluzione temporale della generazione di seconda armonica utilizzando un secondo impulso ultrabreve nel vicino infrarosso che agisce da fondamentale. In questo modo risolviamo dinamiche più rapide di un singolo ciclo ottico dell’impulso driver. I nostri risultati rivelano una chiara selettività di valle indotta dal campo, codificata nello sfasamento temporale del segnale rispetto al campo del driver. Un modello semplice, basato su argomentazioni di simmetria, fornisce una spiegazione qualitativa delle osservazioni. Nel complesso, i nostri risultati espandono la comprensione delle dinamiche di valle e chiro-ottiche ultraveloci nei materiali bidimensionali e il loro legame con nonlinearità ottiche. I protocolli sperimentali presentati aprono nuove vie per il controllo dello pseudospin di valle mediante campi ottici, andando oltre le classiche regole di selezione.