Fysikhold observerer ekstremt hurtige elektroniske ændringer i realtid i en særlig materialeklasse

I fysik, de er i øjeblikket genstand for intensiv forskning; inden for elektronik, de kunne aktivere helt nye funktioner. Såkaldte topologiske materialer er karakteriseret ved særlige elektroniske egenskaber, som også er meget robuste over for ydre forstyrrelser. Denne materialegruppe omfatter også wolframditellurid. I dette materiale, en sådan topologisk beskyttet tilstand kan "brydes op" ved hjælp af specielle laserimpulser inden for et par billiontedele af et sekund ("picoseconds") og dermed ændre dens egenskaber. Dette kan være et nøglekrav for at realisere ekstremt hurtigt, optoelektroniske afbrydere.

For første gang, fysikere ved Kiel University (CAU), i samarbejde med forskere ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (MPI-CPfS) i Dresden, Tsinghua University i Beijing og Shanghai Tech University, har været i stand til at observere ændringer i de elektroniske egenskaber af dette materiale i eksperimenter i realtid. Ved hjælp af laserimpulser, de sætter atomerne i en prøve af wolframditellurid i en tilstand af kontrolleret excitation, og var i stand til at følge de resulterende ændringer i de elektroniske egenskaber "live" med højpræcisionsmålinger. De offentliggjorde deres resultater for nylig i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Weyl-halvmetaller med usædvanlige elektroniske egenskaber

"Hvis disse laser-inducerede ændringer kan vendes igen, vi har i det væsentlige en kontakt, der kan aktiveres optisk, og som kan skifte mellem forskellige elektroniske tilstande, " forklarede Michael Bauer, professor i faststoffysik ved CAU. En sådan skifteproces er allerede forudsagt af en anden undersøgelse, hvor forskere fra USA for nylig var i stand til direkte at observere atombevægelserne i wolframditellurid. I deres undersøgelse, fysikerne fra Institute of Experimental and Applied Physics ved CAU fokuserede nu på elektronernes adfærd, og hvordan de elektroniske egenskaber i samme materiale kan ændres ved hjælp af laserimpulser.

"Nogle af elektronerne i wolframditellurid er meget mobile, så de er fremragende informationsbærere til elektroniske applikationer. Dette skyldes, at de opfører sig som såkaldte Weyl-fermioner, " sagde doktorgradsforsker Petra Hein for at forklare materialets usædvanlige egenskaber, også kendt som en Weyl-semimetal. Weyl-fermioner er masseløse partikler med særlige egenskaber og er tidligere kun blevet observeret indirekte som "kvasi-partikler" i faste stoffer som wolframditellurid. "For første gang, vi var nu i stand til at synliggøre ændringerne i områderne af den elektroniske struktur, hvori disse Weyl-egenskaber er udstillet."

Excitationer af materialet ændrer dets elektroniske egenskaber

For at fange de knapt synlige ændringer i de elektroniske egenskaber et meget følsomt eksperimentelt design, ekstremt præcise målinger og en omfattende analyse af de opnåede data var påkrævet. I løbet af de sidste år har Kiel-forskerholdet været i stand til at udvikle et sådant eksperiment med den nødvendige langsigtede stabilitet. Med de genererede laserimpulser sætter de atomerne inde i en prøve af wolframditellurid i en tilstand af vibrationel excitation. Forskellige overlappende vibrationsexcitationer opstod, hvilket igen ændrede materialets elektroniske egenskaber. "En af disse atomare vibrationer var kendt for at ændre de elektroniske Weyl-egenskaber. Vi ønskede at finde ud af præcis, hvordan denne ændring ser ud, " sagde Hein for at beskrive et af hovedmålene med undersøgelsen.

En række snapshots viser, hvordan egenskaber ændres

For at observere denne specifikke proces, forskerholdet bestrålede materialet med en anden laserpuls efter et par picosekunder. Dette frigav elektroner fra prøven, hvilket gjorde det muligt at drage konklusioner om materialets elektroniske struktur - metoden er kendt som "tidsopløst fotoelektronspektroskopi". "På grund af den korte eksponeringstid på kun 0,1 picosekunder, får vi et øjebliksbillede af materialets elektroniske tilstand. Vi kan kombinere mange af disse individuelle billeder til en film og derved observere, hvordan materialet reagerer på excitationen af ​​den første laserimpuls, " sagde Dr. Stephan Jauernik for at forklare målemetoden.

Registrering af et enkelt datasæt på den ekstremt korte ændringsproces tog typisk en uge. Kiel-forskerholdet evaluerede et stort antal af sådanne datasæt ved hjælp af en nyudviklet analytisk tilgang og var således i stand til at visualisere ændringerne i de elektroniske Weyl-egenskaber af wolframditellurid.

Ekstremt korte koblingsprocesser tænkelige

"Vores resultater viser det følsomme og meget selektive samspil mellem vibrationerne af atomerne i det faste stof og de usædvanlige elektroniske egenskaber af wolfram ditellurid, " opsummerede Bauer. Opfølgende forskning har til formål at undersøge, om sådanne elektroniske koblingsprocesser kan udløses endnu hurtigere - direkte af den bestrålende laserimpuls - som det allerede er teoretisk forudsagt for andre topologiske materialer.