Topologische isolatoren zijn kwantummaterialen, die, vanwege hun exotische elektronische structuur, op oppervlakken en randen geleiden elektrische stroom zoals metaal, terwijl het als een isolator in bulk fungeert. Wetenschappers van het Max-Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) hebben voor het eerst aangetoond hoe topologische materialen binnen een miljoenste van een miljardste van een seconde kunnen worden onderscheiden van hun reguliere – triviale – tegenhangers -snel laserlicht. Hun methode zou de weg kunnen openen voor het gebruik van dergelijke materialen als logische elementen in lichtgestuurde elektronica die informatie tienduizenden keren sneller kan verwerken dan momenteel mogelijk is. Hun studie verscheen in Natuurfotonica .

De meest voorkomende illustratie van het topologieconcept is een elastische krakeling, die kan worden uitgerekt, krom, of op welke manier dan ook verdraaid; ongeacht de vervorming, het is onmogelijk om van een krakeling een bagel te maken of er gaten in te maken, zonder het uit elkaar te halen. Het aantal gaten in een krakeling is dus invariant en geeft topologische informatie over de vorm van de krakeling.

In een stevig materiaal, kwantummechanische wetten beperken welke energie elektronen kunnen hebben, wat leidt tot de vorming van banden met toegestane of verboden energieën. Met behulp van het concept van topologie, natuurkundigen kunnen complexe vormen van toegestane energiebanden beschrijven en ze een specifiek topologisch nummer toewijzen. Een speciale topologie van de bandstructuur in een materiaalsysteem manifesteert zich in exotische eigenschappen die kunnen worden waargenomen, zoals de oppervlaktegeleidbaarheid in topologische isolatoren.

"Het meest opmerkelijke aspect van topologie is de robuustheid:eigenschappen die door topologie worden veroorzaakt, worden erdoor beschermd, " legt een van de twee hoofdauteurs van het artikel Dr. Álvaro Jiménez-Galán van MBI uit. Op dezelfde manier dat we het aantal gaten in een krakeling niet kunnen veranderen zonder het te breken, onzuiverheden en andere verstoringen die gewoonlijk het vermogen van het materiaal om elektriciteit te geleiden verstoren, hebben geen invloed op de hoge elektronenmobiliteit op het oppervlak van topologische isolatoren. De immuniteit voor onzuiverheden is de reden waarom topologische materialen de elektronische industrie sterk aanspreken.

Elektronen laten "spreken" over topologie

Hoewel de topologie van het systeem nauw verbonden is met het gedrag van elektronen erin, de afdruk van topologische eigenschappen op elektronendynamica op de tijdschaal van een miljoenste van een miljardste van een seconde is tot nu toe niet ontdekt. Door gebruik te maken van numerieke simulaties en theoretische analyse, de groep van MBI heeft bewezen dat informatie over systeemtopologie inderdaad is gecodeerd in deze extreem snelle elektronendynamica en kan worden opgehaald door te kijken naar licht dat wordt uitgezonden door elektronen terwijl ze worden geëxciteerd met laserlicht. "Als we ons voorstellen dat de elektronen in een vaste stof bewegen binnen energiebanden als hardlopers op de racebaan, dan maakt onze methode het mogelijk om meer te weten te komen over de topologie van deze racebaan, door simpelweg de versnelling van de lopers te meten, " verduidelijkt Prof. Dr. Olga Smirnova, hoofd van een MBI Theoriegroep. De ultrakorte laserpulsen prikkelen elektronen van het systeem, waardoor ze van de ene energieband naar een hogere springen, versnellen op de nieuwe baan. De versnelde elektronen zenden dan licht uit en vallen snel terug naar de lagere stand. Dit proces duurt slechts een oneindig klein deel van een seconde, maar is genoeg voor een elektron om het fijne verschil tussen de energiestructuren van triviale en topologische isolatoren te "voelen" en deze informatie in het uitgezonden licht te "coderen".

Op weg naar ultrasnelle lichtgolfelektronica

Het huidige werk laat zien hoe je in een ultrasnel tempo onderscheid kunt maken tussen triviale en topologische isolatoren, met andere woorden, om de topologische informatie van het systeem "uit te lezen" met behulp van laserspectroscopie. Voor de volgende stap, de MBI-onderzoekers zijn van plan deze kennis te gebruiken om een ​​triviale isolator om te zetten in een topologische en vice versa met laserlicht, dat wil zeggen om de topologische informatie met een vergelijkbare snelheid in een materiaal te "schrijven". Het theoretische bewijs van dit effect zou de implementatie van topologische materialen in optisch gestuurde elektronica kunnen bevorderen, waar alleen de snelheid van elektronische reactie op licht de limiet bepaalt voor de snelheid van informatieverwerking.