Wetenschappers van de Universiteit van Tsukuba hebben de mogelijkheid aangetoond dat elektronen bewegen alsof ze massaloos zijn wanneer bepaalde materialen die "topologische isolatoren" worden genoemd, worden bestraald met laserstralen. Dit werk kan leiden tot een nieuwe klasse van zeer efficiënte elektronische apparaten en fotonische kristallen.

Conventionele elektronische apparaten zijn voornamelijk afhankelijk van siliciumkristallen. Vanuit het oogpunt van elektronen die deel uitmaken van de elektrische signalen die door deze materialen gaan, de systemen zijn zo groot dat ze praktisch eindeloos zijn. Dit zorgt ervoor dat de meeste elektronische structuren lijken op de wiskundige oplossingen van een "bulk" oneindig herhalend rooster. Echter, recente ontwikkelingen in de vastestoffysica hebben gewezen op de mogelijkheid van "topologische isolatoren, " wat materialen zijn die gewoonlijk elektrische isolatoren zijn, maar hebben toestanden die aan de rand van het materiaal bestaan. Deze oppervlaktetoestanden die ontstaan ​​door de abrupte overgang van het materiaal naar de lege ruimte hebben bijzondere eigenschappen, zoals bescherming tegen verstoring door wanorde, zoals kan gebeuren met andere elektronische toestanden. In bepaalde gevallen, de elektronen kunnen zo vrij bewegen dat ze doen alsof ze helemaal geen massa hebben. Hoe intrigerend topologische toestanden ook zijn, er is nog steeds niet veel bekend over hoe ze kunnen worden gegenereerd en hoe ze zich gedragen.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de Universiteit van Tsukuba heeft theoretische berekeningen gebruikt om de elektronische toestanden te voorspellen die kunnen worden gevormd wanneer een laser een topologische isolator exciteert. Dit kan helpen om hiaten in onze kennis over deze materialen op te vullen, omdat empirische gegevens moeilijk te verkrijgen zijn. De onderzoekers konden aantonen dat Dirac stelt, waarin elektronen massaloos beginnen te lijken, kan op deze manier worden gegenereerd. "Experimenten met topologische toestanden die niet in evenwicht zijn, blijven schaars, ook al hebben ze het potentieel om een ​​nieuw platform te bieden om onverwachte massaloze Dirac-staten te creëren, " senior auteur Ken-ichi Hino zegt. Het team was in staat om hun bevindingen uit te leggen als het resultaat van het ontstaan ​​van viervoudige accidentele degeneraties op de hoge-symmetriepunten. "We hopen dat ons werk het proces van het onderzoeken van topologische isolatoren zal versnellen, Professor Hino zegt. De resultaten van dit project kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe computersystemen die op basis van deze materialen minder energie verspillen.