Een vreemd kenmerk van bepaalde exotische materialen zorgt ervoor dat elektronen van het ene oppervlak van het materiaal naar het andere kunnen reizen alsof er niets tussenin zit. Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben aangetoond dat ze deze functie kunnen in- en uitschakelen door een materiaal in en uit een stabiele topologische toestand te schakelen met lichtpulsen. De methode zou een nieuwe manier kunnen bieden om materialen te manipuleren die zouden kunnen worden gebruikt in toekomstige kwantumcomputers en apparaten die elektrische stroom zonder verlies voeren.

Topologische materialen zijn bijzonder interessant voor deze toepassingen omdat hun elektronische toestanden buitengewoon goed bestand zijn tegen externe verstoringen, zoals verwarming, mechanische druk en materiaaldefecten. Maar om deze materialen te gebruiken, wetenschappers hebben ook manieren nodig om hun eigenschappen te verfijnen.

"Hier, we hebben een ultrasnelle en energiezuinige manier gevonden om licht te gebruiken als externe verstoring om een ​​materiaal in en uit zijn stabiele topologische toestand te drijven, " zei Aaron Lindenberg, de hoofdonderzoeker van de studie en een universitair hoofddocent bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University.

Het SLAC/Stanford-team publiceerde hun resultaten in Natuur .

Topologie besturen met licht

In wiskunde, topologie beschrijft hoe een geometrisch object in verschillende vormen kan veranderen zonder bepaalde eigenschappen te verliezen. Bijvoorbeeld, een bol kan veranderen in een platte schijf, maar niet in een donut, omdat er dan een gaatje in moet worden geprikt.

bij materialen, het concept van topologie is abstracter, maar het leidt op dezelfde manier tot buitengewone robuustheid:materialen in een topologische staat behouden hun exotische eigenschappen, zoals het vermogen om elektriciteit te geleiden met zeer weinig verlies, onder externe verstoring.

"Deze materialen bieden een opwindend platform voor het begrijpen van nieuwe concepten in de materiaalfysica, en we hebben actief nieuwe manieren geleerd om hun unieke potentieel te benutten, " zei Edbert Sie, een fellow bij het Geballe Laboratory for Advanced Materials in Stanford, die samenwerkt met Lindenberg en een van de hoofdauteurs van de nieuwe studie. Onderzoek naar topologische materialen is bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde 2016 en een Doorbraakprijs 2019.

Hoewel topologische materialen bekend staan ​​om hun stabiliteit, bepaalde verstoringen kunnen ze ook uit hun stabiele toestand drijven. "In ons eigen werk we zoeken naar manieren om licht en spanning te gebruiken om topologische materialen te manipuleren en nieuwe materiële toestanden te creëren die nuttig kunnen zijn voor toekomstige toepassingen, ' zei Sie.

Deze studie concentreerde zich op een topologisch materiaal genaamd wolfraam ditelluride, die is gemaakt van gestapelde tweedimensionale lagen. Wetenschappers hebben al voorgesteld dat wanneer het materiaal zich in zijn topologische staat bevindt, de specifieke rangschikking van atomen in die lagen kan zogenaamde Weyl-knooppunten genereren die unieke elektronische eigenschappen vertonen, zoals geleidbaarheid zonder weerstand. Deze punten kunnen worden gezien als wormgatachtige kenmerken die elektronen tunnelen tussen tegenover elkaar liggende oppervlakken van het materiaal.

Sie en zijn collega's probeerden de eigenschappen van het materiaal te tweaken met pulsen van terahertz-straling, een onzichtbare vorm van licht waarvan de golflengten tussen infrarood- en microgolfstraling liggen. Wat ze vonden verraste hen:met het licht, ze waren in staat om het materiaal snel te schakelen tussen zijn topologische toestand en een niet-topologische toestand, het effectief uit- en weer inschakelen van de nulweerstandstoestand.

"Het is de eerste keer dat iemand dit schakelgedrag heeft gezien, " zei Clara Nyby, een afgestudeerde student in het team van Lindenberg en een andere hoofdauteur van de studie. "Het gebruik van terahertz-straling was hier de sleutel omdat de energie deze beweging efficiënt kan aansturen."

Ultrasnelle 'elektronencamera' onthult materiaalschakelaar

Om erachter te komen wat er precies in het materiaal is gebeurd, de onderzoekers gebruikten SLAC's instrument voor ultrasnelle elektronendiffractie (UED) - een snelle "elektronencamera" - om snelle snapshots te maken van de atomaire structuur van het materiaal onmiddellijk nadat het werd geraakt door een terahertz-puls.

Ze ontdekten dat de pulsen naburige atoomlagen in tegengestelde richtingen verschoven, atomaire structuur van het materiaal vervormen. De structuur begon te oscilleren, met lagen die heen en weer zwaaien rond hun oorspronkelijke posities (zie animatie hierboven). Zwaaiend in één richting, het materiaal verloor zijn topologische eigenschap. De andere kant op slingeren, het pand verscheen weer en werd stabieler.

"Er zijn veel atomaire bewegingen die mogelijk in het materiaal kunnen voorkomen, " zei co-auteur Xijie Wang, hoofd van het UED-team van SLAC. "De combinatie van terahertz-pulsen en UED, hier voor het eerst gebruikt, maakte dit experiment mogelijk. Het stelde ons in staat om deze specifieke oscillerende beweging snel te identificeren."

Co-auteur Das Pemmaraju, een associate stafwetenschapper bij SLAC, zei, "De UED-gegevens vormden ook de basis voor berekeningen van de elektronische structuur van het materiaal en de reactie op terahertz-straling. Onze resultaten tonen aan dat de straling het materiaal uit zijn topologische toestand drijft en er vervolgens weer in terugkomt."

Het valt nog te bezien hoe dit schakelmechanisme, waarvoor het team een ​​voorlopig octrooi heeft verkregen, daadwerkelijk kan worden gebruikt. "Het is vroeg in het spel, "Zei Sie. "Maar het feit dat we topologische materialen op een vrij eenvoudige manier kunnen manipuleren met behulp van licht en spanning is van groot potentieel."

Volgende, de wetenschappers willen hun methode toepassen op meer materialen en onderzoeken hoe deze structurele modificaties hun elektronische eigenschappen veranderen, het verder verkennen van de wereld van de topologische materiaalwetenschap.