Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en medewerkers van Brookhaven National Laboratory en de University of Alabama in Birmingham hebben een nieuwe door licht geïnduceerde schakelaar ontdekt die het kristalrooster van het materiaal verdraait. het inschakelen van een gigantische elektronenstroom die bijna dissipatieloos lijkt te zijn. De ontdekking werd gedaan in een categorie van topologische materialen die veelbelovend is voor spintronica, topologische effecttransistoren, en kwantumcomputers.

Weyl en Dirac halfmetalen kunnen exotische, bijna dissipatieloos, elektronengeleidingseigenschappen die profiteren van de unieke toestand in het kristalrooster en de elektronische structuur van het materiaal dat de elektronen daartegen beschermt. Deze afwijkende elektronentransportkanalen, beschermd door symmetrie en topologie, komen normaal gesproken niet voor in conventionele metalen zoals koper. Na tientallen jaren alleen beschreven te zijn in de context van theoretische fysica, er is een groeiende belangstelling voor het fabriceren, verkennen, verfijnen, en het regelen van hun topologisch beschermde elektronische eigenschappen voor apparaattoepassingen. Bijvoorbeeld, grootschalige adoptie van kwantumcomputing vereist het bouwen van apparaten waarin fragiele kwantumtoestanden worden beschermd tegen onzuiverheden en lawaaierige omgevingen. Een benadering om dit te bereiken is door de ontwikkeling van topologische kwantumberekening, waarin qubits zijn gebaseerd op "symmetrie-beschermde" dissipatieloze elektrische stromen die immuun zijn voor ruis.

"Door licht veroorzaakte roosterverdraaiing, of een phononic schakelaar, kan de kristalinversiesymmetrie regelen en een gigantische elektrische stroom fotogenereren met een zeer kleine weerstand, " zei Jigang Wang, senior wetenschapper bij Ames Laboratory en hoogleraar natuurkunde aan de Iowa State University. "Dit nieuwe regelprincipe vereist geen statische elektrische of magnetische velden, en heeft veel hogere snelheden en lagere energiekosten."

"Deze bevinding zou kunnen worden uitgebreid tot een nieuw kwantumcomputerprincipe gebaseerd op de chirale fysica en dissipatieloos energietransport, die veel hogere snelheden kan hebben, lagere energiekosten en hoge bedrijfstemperatuur." zei Liang Luo, een wetenschapper bij Ames Laboratory en eerste auteur van het artikel.

Wang, Luo, en hun collega's hebben precies dat bereikt, met behulp van terahertz (een biljoen cycli per seconde) laserlichtspectroscopie om deze materialen te onderzoeken en aan te duwen om de symmetrie-schakelmechanismen van hun eigenschappen te onthullen.

In dit experiment, het team veranderde de symmetrie van de elektronische structuur van het materiaal, met behulp van laserpulsen om de roosteropstelling van het kristal te verdraaien. Deze lichtschakelaar maakt "Weyl-punten" in het materiaal mogelijk, waardoor elektronen zich gedragen als massaloze deeltjes die de beschermde, lage dissipatiestroom waarnaar gezocht wordt.

"We hebben deze gigantische dissipatieloze stroom bereikt door periodieke bewegingen van atomen rond hun evenwichtspositie te sturen om de kristalinversiesymmetrie te doorbreken, " zegt Ilias Perakis, hoogleraar natuurkunde en leerstoel aan de Universiteit van Alabama in Birmingham. "Dit door licht geïnduceerde Weyl-principe van semi-metaaltransport en topologiecontrole lijkt universeel te zijn en zal zeer nuttig zijn bij de ontwikkeling van toekomstige kwantumcomputers en elektronica met hoge snelheid en een laag energieverbruik."

"Wat we tot nu toe hebben gemist, is een lage energie en snelle omschakeling om symmetrie van deze materialen te induceren en te beheersen, " zei Qiang Li, Groepsleider van de Brookhaven National Laboratory's Advanced Energy Materials Group. "Onze ontdekking van een lichtsymmetrieschakelaar opent een fascinerende mogelijkheid om dissipatieloze elektronenstroom te transporteren, een topologisch beschermde staat die niet verzwakt of vertraagt ​​wanneer hij botst op onvolkomenheden en onzuiverheden in het materiaal."

Het onderzoek wordt verder besproken in het artikel "A Light-Induced Phononic Symmetry Switch and Giant Dissipationless Topological Photocurrent in ZrTe5, " gepubliceerd in Natuurmaterialen .