Kvantfysikens lagar styr mikrokosmos. De bestämmer, till exempel, hur lätt elektroner rör sig genom en kristall och därmed om materialet är en metall, en halvledare eller en isolator. Kvantfysik kan leda till exotiska egenskaper i vissa material:I så kallade topologiska isolatorer, bara elektronerna som kan uppta vissa specifika kvanttillstånd är fria att röra sig som masslösa partiklar på ytan, medan denna rörlighet är helt frånvarande för elektroner i bulk. Vad mer, ledningselektronerna i materialets "hud" är nödvändigtvis spinnpolariserade, och bildar robust, metalliska yttillstånd som kan användas som kanaler för att driva rena spinnströmmar på femtosekunders tidsskalor (1 fs =10 ^-15 s).

Dessa fastigheter öppnar spännande möjligheter att utveckla ny informationsteknik baserad på topologiska material, som ultrasnabb spintronics, genom att utnyttja elektronernas snurr på deras ytor snarare än laddningen. Särskilt, optisk excitation av femtosekundlaserpulser i dessa material representerar ett lovande alternativ för att realisera mycket effektiv, förlustfri överföring av spinninformation. Spintronic -enheter som använder dessa egenskaper har potentialen till en överlägsen prestanda, eftersom de skulle göra det möjligt att öka hastigheten på informationstransport upp till frekvenser tusen gånger snabbare än i modern elektronik.

Dock, många frågor måste fortfarande besvaras innan spintronic -enheter kan utvecklas. Till exempel, detaljerna om exakt hur bulk- och ytelektroner från ett topologiskt material reagerar på den yttre stimulansen, dvs. laserpulsen, och graden av överlappning i deras kollektiva beteenden på ultrakorte tidsskalor.

Ett team som leds av HZB-fysikern Dr. Jaime Sánchez-Barriga har nu tagit nya insikter om sådana mekanismer. Laget, som också har inrättat en Helmholtz-RSF Joint Research Group i samarbete med kollegor från Lomonosov State University, Moskva, undersökte enstaka kristaller av elementärt antimon (Sb), tidigare föreslagits vara ett topologiskt material. "Det är en bra strategi att studera intressant fysik i ett enkelt system, för det är där vi kan hoppas på att förstå de grundläggande principerna, "Sánchez-Barriga förklarar." Den experimentella verifieringen av materialets topologiska egenskap krävde att vi direkt observerade dess elektroniska struktur i ett mycket upphetsat tillstånd med tiden, snurra, energi och momentumupplösningar, och på så sätt fick vi tillgång till en ovanlig elektrondynamik, "tillägger Sánchez-Barriga.

Syftet var att förstå hur snabbt exciterade elektroner i massan och på ytan av Sb reagerar på den externa energitillförseln, och att utforska mekanismerna för deras svar. "Genom att styra tidsfördröjningen mellan den initiala laserexcitationen och den andra pulsen som gör att vi kan avkänna den elektroniska strukturen, vi kunde bygga upp en heltidsupplöst bild av hur upphetsade tillstånd lämnar och återgår till jämvikt på ultrasnabba tidsskalor. Den unika kombinationen av tid och spin-lösta möjligheter gjorde det också möjligt för oss att direkt undersöka spin-polarisering av upphetsade tillstånd långt utanför jämvikt ", säger Dr Oliver J. Clark.

Uppgifterna visar en 'kink' -struktur i övergående upptagen energimomentumspridning av yttillstånd, vilket kan tolkas som en ökning av effektiv elektronmassa. Författarna kunde visa att denna massförbättring spelar en avgörande roll för att bestämma det komplexa samspelet i elektronernas dynamiska beteenden från massan och ytan, också beroende på deras snurr, efter den supersnabba optiska excitationen.

"Vår forskning avslöjar vilka väsentliga egenskaper hos denna materialklass som är nyckeln till att systematiskt kontrollera relevanta tidsskalor där förlustfria spinnpolariserade strömmar kan genereras och manipuleras, "förklarar Sánchez-Barriga. Det här är viktiga steg på vägen till spintronic-enheter som baseras på topologiska material har avancerade funktioner för ultrasnabb informationsbehandling.