En ultrahurtig optisk måde at udtrække kritisk information fra kvantematerialer

Topologiske isolatorer er kvantematerialer, hvilken, på grund af deres eksotiske elektroniske struktur, på overflader og kanter lede elektrisk strøm som metal, mens han fungerer som en isolator i bulk. Forskere fra Max-Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) har for første gang demonstreret, hvordan man adskiller topologiske materialer fra deres normale-trivielle-modparter inden for en milliontedel af en milliarddel af et sekund ved at undersøge det med ultra -hurtigt laserlys. Deres metode kunne åbne mulighed for, at sådanne materialer kan bruges som logiske elementer i lysstyret elektronik, der er i stand til at behandle information titusinder gange hurtigere som i øjeblikket muligt. Deres undersøgelse dukkede op i Natur fotonik .

Den mest almindelige illustration af topologikonceptet involverer en elastisk kringle, som kan strækkes, bøjet, eller snoet på nogen måde; uanset deformation, det er umuligt at lave en bagel af en kringle eller tilføje huller til den, uden at rive det i stykker. Antallet af huller i en kringle er således invariant og giver topologiske oplysninger om kringleformen.

I et fast materiale, kvantemekaniske love begrænser hvilke energier elektroner kan have, hvilket fører til dannelse af bånd med enten tilladte eller forbudte energier. Ved hjælp af begrebet topologi, fysikere kan beskrive komplekse former for tilladte energibånd og tildele dem et specifikt topologisk tal. En særlig topologi af båndstrukturen i et materialesystem manifesterer sig i eksotiske egenskaber, der kan observeres - såsom overfladeledningsevnen i topologiske isolatorer.

"Det mest bemærkelsesværdige aspekt ved topologi er dens robusthed:egenskaber fremkaldt af topologi er beskyttet af den, "forklarer en af ​​de to hovedforfattere til artiklen Dr. Álvaro Jiménez-Galán fra MBI. På samme måde som vi ikke kan ændre antallet af huller i en kringle uden at bryde den, urenheder og andre forstyrrelser, der normalt forstyrrer materialets evne til at lede elektricitet, påvirker ikke høj elektronmobilitet på overfladen af ​​topologiske isolatorer. Immuniteten over for urenheder er årsagen til, at topologiske materialer i høj grad appellerer til elektroniske industrier.

At få elektroner til at "tale" om topologi

Selvom systemets topologi er dybt knyttet til elektronernes adfærd i det, aftrykket af topologiske egenskaber på elektrondynamik i tidsskalaen på en milliontedel af en milliarddel af et sekund er ikke blevet opdaget indtil nu. Ved at bruge numeriske simuleringer og teoretisk analyse, gruppen fra MBI har bevist, at oplysninger om systemtopologi faktisk er kodet i denne ekstremt hurtige elektrondynamik og kan hentes ved at se på lys, der udsendes af elektroner, da de er begejstrede med laserlys. "Hvis vi forestiller os, at elektronerne i et fast stof bevæger sig inden for energibånd som løbere på racerbanen, så giver vores metode mulighed for at lære mere om topologien på denne racerbane, ved blot at måle løbernes acceleration, "præciserer professor Dr. Olga Smirnova, leder af en MBI teorigruppe. De ultrakorte laserpulser ophidser elektroner i systemet, får dem til at hoppe fra et energibånd til et højere, fremskynde dem på det nye spor. De accelererede elektroner udsender derefter lys og falder hurtigt tilbage til den nederste position. Denne proces varer kun en uendelig lille del af et sekund, men er nok til, at en elektron "mærker" den fine forskel mellem trivielle og topologiske isolatoreres energistrukturer og "koder" denne information til det udsendte lys.

På vej mod ultrahurtig lysbølgeelektronik

Det nuværende arbejde viser, hvordan man skelner mellem trivielle og topologiske isolatorer med en ultrahurtig hastighed, med andre ord, at "aflæse" systemets topologiske information ved hjælp af laserspektroskopi. Til det næste trin, MBI -forskerne planlægger at bruge denne viden til at konvertere en triviel isolator til en topologisk og omvendt med laserlys - det vil sige at "skrive" de topologiske oplysninger til et materiale med en lignende hastighed. Det teoretiske bevis på denne effekt kan fremme implementeringen af ​​topologiske materialer i optisk styret elektronik, hvor kun hastigheden af ​​elektronisk respons på lys definerer grænsen for hastigheden af ​​informationsbehandling.