För att ändra rörelseriktningen för ett massivt objekt, som en bil, den måste saktas ner och stannas helt först. Även de minsta laddningsbärarna i universum, elektronerna, följ denna regel. För framtida ultrasnabba elektroniska komponenter, dock, det skulle vara bra att kringgå elektronens tröghet. Fotoner, ljusets kvanta, visa hur detta kan fungera. Fotoner bär inte massa och kan därmed röra sig med högsta möjliga hastighet, ljusets hastighet. För en riktningsändring, de behöver inte sakta ner; när de reflekteras från en spegel, till exempel, de ändrar plötsligt riktning utan mellanlandning. Sådant beteende är mycket önskvärt för framtida elektronik eftersom strömmarnas riktning skulle kunna växlas oändligt snabbt och klockfrekvensen för processorer kan ökas massivt. Än, fotoner bär inte elektrisk laddning, vilket är en förutsättning för elektroniska enheter.

Ett internationellt konsortium av fysiker från University of Regensburg, universitetet i Marburg, och ryska vetenskapsakademien i Novosibirsk lyckades vända elektronernas rörelse på ultrasnabba tidsskalor utan att bromsa dem. I deras studie, de använde den nya materialklassen topologiska isolatorer. På deras ytor, elektroner beter sig som masslösa partiklar som rör sig nästan som ljus. För att byta rörelseriktning för dessa elektroner så snabbt som möjligt, forskarna accelererade elektroner med det oscillerande bärfältet av ljus - det snabbaste alternerande fältet i naturen som kan styras av mänskligheten.

När elektronerna plötsligt vänder sin rörelseriktning, de avger en ultrakort ljusblixt som innehåller ett bredbandsspektrum av färger som i en regnbåge. Det finns strikta regler för vilka färger som avges:Generellt sett när elektroner accelereras av ljusvågor avges endast strålning, vars oscillationsfrekvens är en heltalsmultipel av infallsljusets frekvens, så kallad harmonisk strålning av hög ordning. "Genom att noggrant justera det accelererande ljusfältet, vi kunde bryta denna regel. Vi lyckades kontrollera elektronernas rörelse så att ljus från varje tänkbar färg kunde genereras, "förklarar Christoph Schmid, första författaren till studien.

I en noggrann analys av den utsända strålningen, forskarna fann ytterligare ovanliga kvantegenskaper hos elektronerna. Det blev uppenbart att elektronerna på ytan av en topologisk isolator inte rör sig i raka linjer efter det elektriska ljusfältet utan snarare utför slingrande banor genom det fasta ämnet. "Även för en teoretiker, det är mycket fascinerande att se vilka fenomen som kvantmekaniken kan producera om man bara tittar lite närmare, "belyser doktor Jan Wilhelm, som framgångsrikt förklarade de experimentella resultaten med en simulering som han utvecklade tillsammans med sina kollegor vid Institute of Theoretical Physics vid University of Regensburg.

"Dessa resultat ger inte bara spännande insikter om elektronernas mikroskopiska kvantitet, de föreslår också topologiska isolatorer som en lovande materialklass för framtida elektronik och informationsbehandling, "sammanfattar professor Dr. Rupert Huber, som ledde försöksarbetet i Regensburg. Sådana förväntningar följer perfekt uppdraget från Collaborative Research Center SFB 1277, finansierad av German Science Foundation. Inom detta nätverk, experimentella och teoretiska fysiker utforskar nya relativistiska effekter i kondenserad materia och testar möjligheter att implementera sina fynd i framtida högteknologiska applikationer.

De nya fynden rapporteras i det kommande numret av Natur .