En konstig egenskap hos vissa exotiska material gör att elektroner kan resa från en yta av materialet till en annan som om det inte fanns något däremellan. Nu, forskare har visat att de kan slå på och av denna funktion genom att växla ett material in och ut ur ett stabilt topologiskt tillstånd med ljuspulser. Metoden kan ge ett nytt sätt att manipulera material som kan användas i framtida kvantdatorer och enheter som bär elektrisk ström utan förlust.

Topologiska material är särskilt intressanta för dessa applikationer eftersom deras elektroniska tillstånd är utomordentligt resistenta mot yttre störningar, som uppvärmning, mekaniskt tryck och materialfel. Men för att använda dessa material, forskare behöver också sätt att finjustera sina egenskaper.

"Här, vi har hittat ett ultrasnabbt och energieffektivt sätt att använda ljus som en extern störning för att driva ett material in och ut ur sitt stabila topologiska tillstånd, sa Aaron Lindenberg, studiens huvudutredare och docent vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University.

SLAC/Stanford -teamet publicerade sina resultat i Natur .

Kontroll av topologi med ljus

I matematik, topologi beskriver hur ett geometriskt objekt kan förvandlas till olika former utan att förlora vissa egenskaper. Till exempel, en sfär kan förvandlas till en platt skiva men inte till en munk, för det skulle kräva att det blev ett hål i den.

I material, begreppet topologi är mer abstrakt, men det leder på samma sätt till extraordinär robusthet:Material i topologiskt tillstånd bibehåller sina exotiska egenskaper, såsom förmågan att leda elektricitet med mycket liten förlust, under yttre störningar.

"Dessa material erbjuder en spännande plattform för att förstå nya koncept inom materialfysik, och vi har aktivt lärt oss nya sätt att utnyttja deras unika potential, "sa Edbert Sie, en kollega vid Geballe Laboratory for Advanced Materials i Stanford som arbetar med Lindenberg och en av den nya studiens ledande författare. Forskning om topologiska material har hedrats med Nobelpriset i fysik 2016 och ett genombrottspris 2019.

Även om topologiska material är kända för sin stabilitet, vissa störningar kan också driva dem ur sitt stabila tillstånd. "I vårt eget arbete, vi letar efter sätt att använda ljus och belastning för att manipulera topologiska material och skapa nya materialtillstånd som kan vara användbara för framtida applikationer, "Sa Sie.

Denna studie fokuserade på ett topologiskt material som kallas volfram ditellurid, som är gjord av staplade tvådimensionella lager. Forskare har redan föreslagit att när materialet är i sitt topologiska tillstånd, det speciella arrangemanget av atomer i dessa lager kan generera så kallade Weyl-noder som uppvisar unika elektroniska egenskaper såsom nollresistans konduktivitet. Dessa punkter kan ses som maskhålsliknande funktioner som tunnlar elektroner mellan materialets motsatta ytor.

Sie och hans kollegor bestämde sig för att justera materialets egenskaper med pulser av terahertz -strålning, en osynlig form av ljus vars våglängder ligger mellan infraröd och mikrovågsstrålning. Vad de hittade överraskade dem:Med ljuset, de kunde snabbt växla materialet mellan dess topologiska tillstånd och ett icke-topologiskt tillstånd, effektivt stänga av och slå på nollmotståndstillståndet igen.

"Det är första gången någon har sett detta växlingsbeteende, sa Clara Nyby, en doktorand i Lindenbergs team och en annan huvudförfattare till studien. "Att använda terahertz -strålning var nyckeln här eftersom dess energi effektivt kan driva denna rörelse."

Ultrasnabb "elektronkamera" avslöjar materialomkopplare

För att ta reda på vad som exakt hände i materialet, forskarna använde SLAC:s instrument för ultrasnabb elektrondiffraktion (UED)-en höghastighets "elektronkamera"-för att ta snabba ögonblicksbilder av materialets atomstruktur omedelbart efter att det träffades av en terahertzpuls.

De upptäckte att pulserna flyttade närliggande atomlager i motsatta riktningar, förvränga materialets atomstruktur. Strukturen började svänga, med lager som svänger fram och tillbaka runt sina ursprungliga positioner (se animation ovan). Svängande åt ett håll, materialet förlorade sin topologiska egenskap. Svängande åt andra hållet, fastigheten dök upp igen och blev mer stabil.

"Det finns många atomrörelser som potentiellt kan förekomma i materialet, "sa medförfattaren Xijie Wang, chef för SLAC:s UED -team. "Kombinationen av terahertz -pulser och UED, används här för första gången, gjorde detta experiment möjligt. Det gjorde att vi snabbt kunde identifiera den här oscillerande rörelsen. "

Medförfattare Das Pemmaraju, en associerad personalvetare vid SLAC, sa, "UED -data var också grunden för beräkningar av materialets elektroniska struktur och dess reaktion på terahertzstrålning. Våra resultat visar att strålningen driver materialet ur dess topologiska tillstånd och sedan tillbaka in i det."

Det återstår att se hur denna växlingsmekanism, för vilken laget har fått ett provisoriskt patent, kan faktiskt användas. "Det är tidigt i spelet, "Sie sa." Men det faktum att vi kan manipulera topologiska material på ett ganska enkelt sätt med hjälp av ljus och belastning har stor potential. "

Nästa, forskarna vill tillämpa sin metod på fler material och undersöka hur dessa strukturella modifieringar förändrar deras elektroniska egenskaper, vidare utforska världen av topologisk materialvetenskap.