Inom fysiken, de är för närvarande föremål för intensiv forskning; inom elektronik, de kan möjliggöra helt nya funktioner. Så kallade topologiska material kännetecknas av speciella elektroniska egenskaper, som också är mycket robusta mot yttre störningar. Denna materialgrupp inkluderar också volfram ditellurid. I detta material, ett sådant topologiskt skyddat tillstånd kan "brytas upp" med hjälp av speciella laserpulser inom några biljondelar av en sekund ("picosekunder") och på så sätt ändra dess egenskaper. Detta kan vara ett viktigt krav för att realisera extremt snabbt, optoelektroniska omkopplare.

För första gången, fysiker vid Kiel University (CAU), i samarbete med forskare vid Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (MPI-CPfS) i Dresden, Tsinghua University i Peking och Shanghai Tech University, har kunnat observera förändringar av de elektroniska egenskaperna hos detta material i experiment i realtid. Med hjälp av laserpulser, de sätter atomerna i ett prov av volfram ditellurid i ett tillstånd av kontrollerad excitation, och kunde följa de resulterande förändringarna i de elektroniska egenskaperna "live" med högprecisionsmätningar. De publicerade sina resultat nyligen i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Weyl -halvmetaller med ovanliga elektroniska egenskaper

"Om dessa laserinducerade förändringar kan vändas igen, vi har i huvudsak en switch som kan aktiveras optiskt, och som kan växla mellan olika elektroniska tillstånd, "förklarade Michael Bauer, professor i solid state -fysik vid CAU. En sådan omkopplingsprocess har redan förutsetts av en annan studie, där forskare från USA nyligen kunde observera atomrörelserna i volfram ditellurid. I deras studie, fysikerna från Institute of Experimental and Applied Physics vid CAU fokuserade nu på elektronernas beteende, och hur de elektroniska egenskaperna i samma material kan ändras med hjälp av laserpulser.

"Några av elektronerna i volfram ditellurid är mycket rörliga, så de är utmärkta informationsbärare för elektroniska applikationer. Detta beror på att de beter sig som så kallade Weyl fermioner, "sa doktorandforskaren Petra Hein för att förklara materialets ovanliga egenskaper, även känd som en Weyl -halvmetall. Weyl fermioner är masslösa partiklar med speciella egenskaper och har tidigare endast observerats indirekt som "kvasipartiklar" i fasta ämnen som wolframditellurid. "För första gången, vi kunde nu synliggöra förändringarna inom områdena i den elektroniska strukturen, i vilka dessa Weyl -egenskaper visas. "

Exciteringar av materialet ändrar dess elektroniska egenskaper

För att fånga de knappt synliga förändringarna i de elektroniska egenskaperna en mycket känslig experimentell design, extremt exakta mätningar och en omfattande analys av de erhållna uppgifterna krävdes. Under de senaste åren kunde Kiel-forskargruppen utveckla ett sådant experiment med den nödvändiga långsiktiga stabiliteten. Med de genererade laserpulserna sätter de atomerna inuti ett prov av volfram ditellurid i ett tillstånd av vibrationscitation. Olika överlappande vibrationscitat uppstod, vilket i sin tur förändrade materialets elektroniska egenskaper. "En av dessa atomvibrationer var känd för att förändra de elektroniska Weyl -egenskaperna. Vi ville ta reda på exakt hur denna förändring ser ut, "sa Hein för att beskriva ett av de viktigaste målen med studien.

Serier av ögonblicksbilder visar hur egenskaper ändras

För att observera denna specifika process, forskargruppen bestrålade materialet med en andra laserpuls efter några pikosekunder. Detta släppte elektroner från provet, vilket gjorde det möjligt att dra slutsatser om materialets elektroniska struktur-metoden är känd som "tidsupplöst fotoelektronspektroskopi". "På grund av den korta exponeringstiden på endast 0,1 pikosekunder, vi får en ögonblicksbild av materialets elektroniska tillstånd. Vi kan kombinera många av dessa individuella bilder till en film och därigenom observera hur materialet reagerar på excitationen av den första laserpulsen, "sa Dr Stephan Jauernik för att förklara mätmetoden.

Att spela in en enda datauppsättning på den extremt korta modifieringsprocessen tog vanligtvis en vecka. Kiel -forskargruppen utvärderade ett stort antal sådana datamängder med hjälp av ett nyutvecklat analytiskt tillvägagångssätt och kunde därmed visualisera förändringarna i de elektroniska Weyl -egenskaperna hos wolframditellurid.

Extremt korta kopplingsprocesser tänkbara

"Våra resultat visar det känsliga och högselektiva samspelet mellan vibrationerna i fasta atomer och de ovanliga elektroniska egenskaperna hos volfram ditellurid, "sammanfattade Bauer. Uppföljningsforskning syftar till att undersöka om sådana elektroniska kopplingsprocesser kan utlösas ännu snabbare-direkt av den bestrålande laserpulsen-som redan teoretiskt har förutsetts för andra topologiska material.