Forskare vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har upptäckt att användning av vibrationsrörelser på ett periodiskt sätt kan vara nyckeln till att förhindra spridning av de önskade elektrontillstånden som skulle göra avancerad kvantberäkning och spintronik möjlig.

Vissa topologiska material är isolatorer i sin bulkform, men har elektronledande beteende på sina ytor. Även om skillnaderna i beteendet hos dessa ytelektroner är det som gör dessa material så lovande för tekniska tillämpningar, det innebär också en utmaning:okontrollerad interaktion mellan ytelektroner och bulkmaterialtillstånden kan orsaka att elektroner sprids ur funktion, leder till så kallat "topologiskt sammanbrott". De är inte skyddade av någon "spontan" symmetri.

"Topologiska isolatorer som kan upprätthålla en ihållande spinnlåst ström på sina ytor som inte sönderfaller kallas "symmetriskyddade", ' och det tillståndet är övertygande för flera revolutionerande enhetskoncept inom kvantberäkning och spintronik, sa Jigang Wang, Ames Laboratory fysiker och Iowa State University professor. "Men den topologiska nedbrytningen på grund av yt-bulk-koppling är ett långvarigt vetenskapligt och tekniskt problem."

Wang och hans forskarkollegor tog ett paradoxalt tillvägagångssätt, kallas dynamisk stabilisering, genom att applicera ett terahertz elektriskt fält för att driva periodiska atomvibrationer, d.v.s. vibrationskoherens, i modellen topologisk isolator vismut-selen Bi ₂ Se ₃ . Dessa extra "fluktuationer" förstärkte faktiskt skyddade topologiska tillstånd, vilket gör att de elektroniska excitationerna levde längre.

En analogi med sådan dynamisk stabilisering är den periodiskt drivna Kapitza-pendeln, känd av Nobelpristagaren Peter Kapitza, där en inverterad, ändå stabil, orientering uppnås genom att pålägga en tillräckligt högfrekvent vibration av dess vridpunkt. På liknande sätt, ytterligare dynamisk stabilisering kan uppnås genom att driva kvantperiodiska rörelser av gittret.

"Vi demonstrerar den dynamiska stabiliseringen i topologisk materia som en ny universell avstämningsratt, som kan användas för att förstärka skyddad kvanttransport, "sa Wang, som tror att upptäckten har långtgående konsekvenser för användningen av dessa material till många vetenskapliga och tekniska discipliner, såsom störningstoleranta kvantinformations- och kommunikationsapplikationer och spin-baserade, ljusvågs kvantelektronik.

Forskningen diskuteras vidare i en artikel, "Ljuskontroll av yt-bulkkoppling av Terahertz Vibrational Coherence i en topologisk isolator, " författad av X. Yang, L. Luo., C. Vaswani, X. Zhao, D. Cheng, Z. Liu, R.H.J. Kim, X. Liu, M. Dobrowolska, J.K. Furdyna, I.E. Perakis, C-Z Wang, K-M Ho och J. Wang; och publiceras i npj Quantum Materials .