in de natuurkunde, ze zijn momenteel het onderwerp van intensief onderzoek; in elektronica, ze kunnen volledig nieuwe functies mogelijk maken. Zogenaamde topologische materialen worden gekenmerkt door speciale elektronische eigenschappen, die ook zeer robuust zijn tegen externe verstoringen. Deze materiaalgroep omvat ook wolfraamditelluride. In dit materiaal, zo'n topologisch beschermde toestand kan met speciale laserpulsen binnen enkele biljoensten van een seconde ("picoseconden") worden "opgebroken" en zo de eigenschappen ervan veranderen. Dit kan een belangrijke vereiste zijn om extreem snel, opto-elektronische schakelaars.

Voor de eerste keer, natuurkundigen aan de Kiel University (CAU), in samenwerking met onderzoekers van het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (MPI-CPfS) in Dresden, Tsinghua University in Peking en Shanghai Tech University, hebben veranderingen in de elektronische eigenschappen van dit materiaal in experimenten in realtime kunnen waarnemen. Met behulp van laserpulsen, ze brengen de atomen in een monster van wolfraamditelluride in een staat van gecontroleerde excitatie, en konden de resulterende veranderingen in de elektronische eigenschappen "live" volgen met zeer nauwkeurige metingen. Ze publiceerden hun resultaten onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Weyl-halfmetalen met ongebruikelijke elektronische eigenschappen

"Als deze laser-geïnduceerde veranderingen weer ongedaan kunnen worden gemaakt, we hebben in wezen een schakelaar die optisch kan worden geactiveerd, en die kunnen veranderen tussen verschillende elektronische toestanden, " legde Michael Bauer uit, hoogleraar vastestoffysica aan de CAU. Een dergelijk overstapproces is al voorspeld door een andere studie, waarin onderzoekers uit de VS onlangs de atomaire bewegingen in wolfraamditelluride direct konden observeren. In hun studie hebben de natuurkundigen van het Instituut voor Experimentele en Toegepaste Natuurkunde aan de CAU richtten zich nu op het gedrag van de elektronen, en hoe de elektronische eigenschappen in hetzelfde materiaal kunnen worden gewijzigd met behulp van laserpulsen.

"Sommige elektronen in wolfraamditelluride zijn zeer mobiel, het zijn dus uitstekende informatiedragers voor elektronische toepassingen. Dit komt door het feit dat ze zich gedragen als zogenaamde Weyl-fermionen, " zei promovendus Petra Hein om de ongebruikelijke eigenschappen van het materiaal uit te leggen, ook bekend als een Weyl-halfmetaal. Weyl-fermionen zijn massaloze deeltjes met speciale eigenschappen en werden voorheen alleen indirect waargenomen als "quasi-deeltjes" in vaste stoffen zoals wolfraamditelluride. "Voor de eerste keer, we konden nu de veranderingen op het gebied van de elektronische structuur zichtbaar maken, waarin deze Weyl-eigenschappen worden tentoongesteld."

Excitaties van het materiaal veranderen de elektronische eigenschappen ervan

Om de nauwelijks zichtbare veranderingen in de elektronische eigenschappen vast te leggen, is een zeer gevoelig experimenteel ontwerp uiterst nauwkeurige metingen en een uitgebreide analyse van de verkregen gegevens waren nodig. De afgelopen jaren heeft het onderzoeksteam van Kiel zo'n experiment met de nodige stabiliteit op lange termijn kunnen ontwikkelen. Met de gegenereerde laserpulsen brengen ze de atomen in een monster van wolfraamditelluride in een staat van vibratie-excitatie. Er ontstonden verschillende overlappende vibrationele excitaties, wat op zijn beurt de elektronische eigenschappen van het materiaal veranderde. "Het was bekend dat een van deze atomaire trillingen de elektronische Weyl-eigenschappen veranderde. We wilden precies weten hoe deze verandering eruit ziet, " zei Hein om een ​​van de belangrijkste doelen van het onderzoek te beschrijven.

Reeks snapshots laat zien hoe eigenschappen veranderen

Om dit specifieke proces te observeren, het onderzoeksteam bestraalde het materiaal na enkele picoseconden met een tweede laserpuls. Hierdoor kwamen elektronen vrij uit het monster, waarmee conclusies konden worden getrokken over de elektronische structuur van het materiaal - de methode staat bekend als "time-resolved photoelectron spectroscopie". "Door de korte belichtingstijd van slechts 0,1 picoseconde, we krijgen een momentopname van de elektronische toestand van het materiaal. We kunnen veel van deze individuele beelden combineren tot een film en daarbij observeren hoe het materiaal reageert op de excitatie door de eerste laserpuls, " zei Dr. Stephan Jauernik om de meetmethode uit te leggen.

Het vastleggen van een enkele dataset over het extreem korte modificatieproces nam doorgaans een week in beslag. Het Kiel-onderzoeksteam evalueerde een groot aantal van dergelijke datasets met behulp van een nieuw ontwikkelde analytische benadering en was zo in staat om de veranderingen in de elektronische Weyl-eigenschappen van wolfraamditelluride te visualiseren.

Extreem korte schakelprocessen mogelijk

"Onze resultaten demonstreren het gevoelige en zeer selectieve samenspel tussen de trillingen van de atomen van de vaste stof en de ongebruikelijke elektronische eigenschappen van wolfraamditelluride, " vat Bauer samen. Vervolgonderzoek heeft tot doel te onderzoeken of dergelijke elektronische schakelprocessen nog sneller kunnen worden geactiveerd - direct door de instralende laserpuls - zoals theoretisch al voorspeld voor andere topologische materialen.