Forskere vender elektronernes bevægelse på ultrahurtige tidsskalaer uden at bremse dem

For at ændre bevægelsesretningen for et massivt objekt, såsom en bil, det skal sænkes og sættes helt i stå først. Selv de mindste ladningsbærere i universet, elektronerne, følg denne regel. For fremtidige ultrahurtige elektroniske komponenter, imidlertid, det ville være nyttigt at omgå elektronens inerti. Fotoner, lysets kvante, vise hvordan dette kunne fungere. Fotoner bærer ikke masse og kan dermed bevæge sig med den højest mulige hastighed, lysets hastighed. For at ændre retning, de behøver ikke at sænke farten; når de reflekteres fra et spejl, for eksempel, de ændrer pludselig deres retning uden mellemlanding. Sådan adfærd er yderst ønskelig for fremtidig elektronik, fordi strømmenes retning kunne skiftes uendeligt hurtigt, og processorhastigheden kunne øges massivt. Endnu, fotoner bærer ikke elektrisk ladning, hvilket er en forudsætning for elektroniske enheder.

Et internationalt konsortium af fysikere fra University of Regensburg, universitetet i Marburg, og det russiske videnskabsakademi i Novosibirsk lykkedes at vende elektronernes bevægelse på ultrahurtige tidsskalaer uden at bremse dem. I deres undersøgelse, de anvendte den nye materialeklasse af topologiske isolatorer. På deres overflader, elektroner opfører sig som masseløse partikler, der bevæger sig næsten som lys. For at skifte disse elektroners bevægelsesretning så hurtigt som muligt, forskerne accelererede elektroner med det oscillerende lysfelt - det hurtigste vekslende felt i naturen, der kan kontrolleres af menneskeheden.

Når elektronerne pludselig vender deres bevægelsesretning, de udsender et ultrakort lysglimt, der indeholder et bredbåndsspektrum af farver som i en regnbue. Der er strenge regler for, hvilke farver der udsendes:Generelt når elektroner accelereres af lysbølger udsendes der kun stråling, hvis svingningsfrekvens er et helt tal af det indfaldende lyss frekvens, såkaldt højordens harmonisk stråling. "Ved omhyggeligt at justere det accelererende lysfelt, vi var i stand til at bryde denne regel. Det lykkedes os at kontrollere elektronernes bevægelse, så lys fra enhver tænkelig farve kunne genereres, "forklarer Christoph Schmid, første forfatter til undersøgelsen.

I en grundig analyse af den udsendte stråling, forskerne fandt yderligere usædvanlige kvanteegenskaber ved elektronerne. Det blev tydeligt, at elektronerne på overfladen af ​​en topologisk isolator ikke bevæger sig i lige linjer efter det elektriske lysfelt, men snarere udfører slyngede baner gennem det faste stof. "Selv for en teoretiker, det er meget fascinerende at se, hvilke fænomener kvantemekanikken kan producere, hvis man kun ser lidt tættere på, "belyser Dr. Jan Wilhelm, der med succes forklarede de eksperimentelle fund med en simulering, han udviklede sammen med sine kolleger i Institute of Theoretical Physics ved University of Regensburg.

"Disse resultater giver ikke kun spændende indsigt i elektroners mikroskopiske kvantekarakter, de foreslår også topologiske isolatorer som en lovende materialeklasse til fremtidig elektronik og informationsbehandling, "opsummerer prof. dr. Rupert Huber, der ledede forsøgsarbejdet i Regensburg. Sådanne forventninger følger perfekt missionens erklæring fra Collaborative Research Center SFB 1277, finansieret af German Science Foundation. Inden for dette netværk, eksperimentelle og teoretiske fysikere udforsker nye relativistiske effekter i kondenseret stof og tester muligheder for at implementere deres fund i fremtidige højteknologiske applikationer.

De nye fund er rapporteret i det kommende nummer af Natur .