Topologiska isolatorer är kvantmaterial, som, på grund av deras exotiska elektroniska struktur, på ytor och kanter leder elektrisk ström som metall, samtidigt som den fungerar som en isolator i bulk. Forskare från Max-Born Institute for Nolinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) har för första gången visat hur man kan skilja topologiska material från sina vanliga – triviala – motsvarigheter inom en miljondels miljarddels sekund genom att sondera det med ultra -snabbt laserljus. Deras metod kan öppna vägen för att sådana material kan användas som logiska element i ljusstyrd elektronik som kan bearbeta information tiotusentals gånger snabbare än för närvarande. Deras studie dök upp i Nature Photonics .

Den vanligaste illustrationen av topologikonceptet involverar en elastisk kringla, som kan sträckas, böjd, eller vriden på något sätt; oavsett deformation, det är omöjligt att göra en bagel av en kringla eller lägga till hål i den, utan att slita isär den. Antalet hål i en kringla är alltså invariant och ger topologisk information om kringlans form.

I ett fast material, kvantmekaniska lagar begränsar vilka energier elektroner kan ha, leder till bildandet av band med antingen tillåtna eller förbjudna energier. Genom att använda begreppet topologi, fysiker kan beskriva komplexa former av tillåtna energiband och tilldela dem ett specifikt topologiskt nummer. En speciell topologi av bandstrukturen i ett materialsystem yttrar sig i exotiska egenskaper som kan observeras — såsom ytledningsförmågan i topologiska isolatorer.

"Den mest anmärkningsvärda aspekten av topologi är dess robusthet:egenskaper inducerade av topologi skyddas av den, " förklarar en av de två huvudförfattarna till artikeln Dr. Álvaro Jiménez-Galán från MBI. På samma sätt som vi inte kan ändra antalet hål i en kringla utan att bryta den, föroreningar och andra störningar som vanligtvis stör materialets förmåga att leda elektricitet påverkar inte hög elektronrörlighet på ytan av topologiska isolatorer. Immuniteten mot föroreningar är anledningen till att topologiska material tilltalar elektronikindustrin starkt.

Att få elektroner att "tala" om topologi

Även om systemets topologi är djupt kopplad till elektronernas beteende i det, avtrycket av topologiska egenskaper på elektrondynamik på en tidsskala på en miljondels miljarddels sekund har inte upptäckts hittills. Genom att använda numeriska simuleringar och teoretisk analys, gruppen från MBI har bevisat att information om systemtopologi verkligen är kodad i denna extremt snabba elektrondynamik och kan hämtas genom att titta på ljus som emitteras av elektroner när de exciteras med laserljus. "Om vi ​​föreställer oss att elektronerna i en solid rör sig inom energiband som löpare på racingbanan, då låter vår metod lära dig mer om topologin för denna racingbana, genom att helt enkelt mäta löparnas acceleration, " klargör prof. Dr. Olga Smirnova, chef för en MBI-teorigrupp. De ultrakorta laserpulserna exciterar elektroner i systemet, få dem att hoppa från ett energiband till ett högre, accelererar dem på den nya banan. De accelererade elektronerna avger sedan ljus och faller snabbt tillbaka till det lägre läget. Denna process varar bara en oändligt liten del av en sekund men är tillräckligt för att en elektron ska "känna" den fina skillnaden mellan energistrukturerna hos triviala och topologiska isolatorer och "koda" denna information till det emitterade ljuset.

På väg mot ultrasnabb ljusvågselektronik

Det aktuella arbetet visar hur man kan skilja mellan triviala och topologiska isolatorer i en ultrasnabb hastighet, med andra ord, att "läsa ut" den topologiska informationen om systemet med hjälp av laserspektroskopi. För nästa steg, MBI-forskarna planerar att använda denna kunskap för att omvandla en trivial isolator till en topologisk och vice versa med laserljus - det vill säga att "skriva" den topologiska informationen till ett material i en liknande hastighet. Det teoretiska beviset för denna effekt skulle kunna föra fram implementeringen av topologiska material i optiskt styrd elektronik, där endast hastigheten för elektronisk respons på ljus definierar gränsen för hastigheten för informationsbehandling.