Forskare vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory och medarbetare vid Brookhaven National Laboratory och University of Alabama i Birmingham har upptäckt en ny ljusinducerad strömbrytare som vrider materialets kristallgitter, slå på en gigantisk elektronström som verkar vara nästan förlustfri. Upptäckten gjordes i en kategori av topologiska material som lovar mycket för spintronik, topologiska effekttransistorer, och kvantberäkning.

Weyl och Dirac halvmetaller kan vara värd för exotiska, nästan förlustfri, elektronledningsegenskaper som drar fördel av det unika tillståndet i kristallgittret och den elektroniska strukturen hos materialet som skyddar elektronerna från att göra det. Dessa anomala elektrontransportkanaler, skyddad av symmetri och topologi, förekommer normalt inte i konventionella metaller som koppar. Efter att ha beskrivits i decennier endast i sammanhanget av teoretisk fysik, det finns ett växande intresse för att tillverka, utforska, raffinering, och kontrollera deras topologiskt skyddade elektroniska egenskaper för enhetstillämpningar. Till exempel, Storskalig användning av kvantdatorer kräver att man bygger enheter där ömtåliga kvanttillstånd skyddas från föroreningar och bullriga miljöer. Ett tillvägagångssätt för att uppnå detta är genom utveckling av topologisk kvantberäkning, där qubits är baserade på "symmetriskyddade" avledningsfria elektriska strömmar som är immuna mot brus.

"Ljusinducerad gallervridning, eller en fononisk switch, kan kontrollera kristallinversionssymmetrin och fotogenerera jättelik elektrisk ström med mycket litet motstånd, sa Jigang Wang, senior vetenskapsman vid Ames Laboratory och professor i fysik vid Iowa State University. "Denna nya kontrollprincip kräver inte statiska elektriska eller magnetiska fält, och har mycket högre hastigheter och lägre energikostnader."

"Detta fynd skulle kunna utvidgas till en ny kvantberäkningsprincip baserad på kiral fysik och förlustfri energitransport, som kan köra mycket högre hastigheter, lägre energikostnad och hög drifttemperatur." sa Liang Luo, en vetenskapsman vid Ames Laboratory och första författare till artikeln.

Wang, Luo, och deras kollegor åstadkom just det, med terahertz (en biljon cykler per sekund) laserljusspektroskopi för att undersöka och knuffa dessa material till att avslöja symmetriväxlingsmekanismerna för deras egenskaper.

I detta experiment, laget ändrade symmetrin i materialets elektroniska struktur, använda laserpulser för att vrida gitterarrangemanget av kristallen. Denna ljusströmbrytare möjliggör "Weyl-punkter" i materialet, får elektroner att bete sig som masslösa partiklar som kan bära de skyddade, låg avledningsström som är eftertraktad.

"Vi uppnådde denna gigantiska avledningslösa ström genom att driva periodiska rörelser av atomer runt deras jämviktsposition för att bryta kristallinversionssymmetri, " säger Ilias Perakis, professor i fysik och ordförande vid University of Alabama i Birmingham. "Denna ljusinducerade Weyls semimetala transport- och topologistyrningsprincip verkar vara universell och kommer att vara mycket användbar i utvecklingen av framtida kvantberäkningar och elektronik med hög hastighet och låg energiförbrukning."

"Vad vi har saknat hittills är en lågenergi och snabb switch för att inducera och kontrollera symmetri av dessa material, sa Qiang Li, Gruppledare för Brookhaven National Laboratorys Advanced Energy Materials Group. "Vår upptäckt av en ljussymmetriströmbrytare öppnar ett fascinerande tillfälle att bära dissipationslös elektronström, ett topologiskt skyddat tillstånd som inte försvagas eller saktar ner när det stöter på ofullkomligheter och föroreningar i materialet."

Forskningen diskuteras vidare i artikeln "A Light-induced Phononic Symmetry Switch and Giant Dissipationless Topological Photocurrent in ZrTe5, "publicerad i Naturmaterial .