Fremtidige informationsteknologier:Topologiske materialer til ultrahurtig spintronik

Kvantefysikkens love styrer mikrokosmos. De bestemmer, for eksempel, hvor let elektroner bevæger sig gennem en krystal og dermed om materialet er et metal, en halvleder eller en isolator. Kvantefysik kan føre til eksotiske egenskaber i visse materialer:I såkaldte topologiske isolatorer, kun de elektroner, der kan optage nogle specifikke kvantetilstande, er frie til at bevæge sig som masseløse partikler på overfladen, mens denne mobilitet er fuldstændig fraværende for elektroner i bulken. Hvad mere er, ledningselektronerne i materialets "hud" er nødvendigvis spinpolariserede, og form robust, metalliske overfladetilstande, der kunne bruges som kanaler til at drive rene spinstrømme på femtosekunds tidsskalaer (1 fs =10 ^-15 s).

Disse egenskaber åbner op for spændende muligheder for at udvikle nye informationsteknologier baseret på topologiske materialer, såsom ultrahurtig spintronik, ved at udnytte elektronernes spin på deres overflader frem for ladningen. I særdeleshed, optisk excitation af femtosekund laserimpulser i disse materialer repræsenterer et lovende alternativ til at realisere højeffektive, tabsfri overførsel af spin information. Spintronic-enheder, der bruger disse egenskaber, har potentialet til en overlegen ydeevne, da de ville gøre det muligt at øge hastigheden af ​​informationstransport op til frekvenser tusind gange hurtigere end i moderne elektronik.

Imidlertid, mange spørgsmål mangler stadig at blive besvaret, før spintronic-enheder kan udvikles. For eksempel, detaljerne om præcis, hvordan bulk- og overfladeelektronerne fra et topologisk materiale reagerer på den eksterne stimulus, dvs. laserpulsen, og graden af ​​overlap i deres kollektive adfærd på ultrakorte tidsskalaer.

Et hold ledet af HZB-fysiker Dr. Jaime Sánchez-Barriga har nu bragt ny indsigt i sådanne mekanismer. Holdet, som også har etableret en Helmholtz-RSF Joint Research Group i samarbejde med kolleger fra Lomonosov State University, Moskva, undersøgt enkeltkrystaller af elementært antimon (Sb), tidligere foreslået at være et topologisk materiale. "Det er en god strategi at studere interessant fysik i et simpelt system, fordi det er her, vi kan håbe på at forstå de grundlæggende principper, " Sánchez-Barriga forklarer. "Den eksperimentelle verifikation af den topologiske egenskab af dette materiale krævede, at vi direkte observerede dets elektroniske struktur i en meget ophidset tilstand med tiden, spin, energi og momentum opløsninger, og på denne måde fik vi adgang til en usædvanlig elektrondynamik, " tilføjer Sánchez-Barriga.

Målet var at forstå, hvor hurtigt exciterede elektroner i bulken og på overfladen af ​​Sb reagerer på den eksterne energiinput, og at udforske de mekanismer, der styrer deres reaktion. "Ved at kontrollere tidsforsinkelsen mellem den indledende laserexcitation og den anden impuls, der giver os mulighed for at sondere den elektroniske struktur, vi var i stand til at opbygge et fuldtidsløst billede af, hvordan ophidsede tilstande forlader og vender tilbage til ligevægt på ultrahurtige tidsskalaer. Den unikke kombination af tid og spin-opløste egenskaber tillod os også direkte at undersøge spin-polariseringen af ​​exciterede tilstande langt ude af ligevægt", siger Dr. Oliver J. Clark.

Dataene viser en "knæk" struktur i forbigående optaget energi-momentum spredning af overfladetilstande, hvilket kan tolkes som en stigning i effektiv elektronmasse. Forfatterne var i stand til at vise, at denne masseforøgelse spiller en afgørende rolle i bestemmelsen af ​​det komplekse samspil i elektronernes dynamiske adfærd fra bulken og overfladen, også afhængigt af deres spin, efter den ultrahurtige optiske excitation.

"Vores forskning afslører, hvilke væsentlige egenskaber ved denne klasse af materialer er nøglen til systematisk at kontrollere de relevante tidsskalaer, hvor tabsfri spin-polariserede strømme kunne genereres og manipuleres, " forklarer Sánchez-Barriga. Disse er vigtige skridt på vejen til spintroniske enheder, som er baseret på topologiske materialer besidder avancerede funktionaliteter til ultrahurtig informationsbehandling.