Om de bewegingsrichting van een massief object te veranderen, zoals een auto, het moet eerst worden afgeremd en volledig tot stilstand worden gebracht. Zelfs de kleinste ladingdragers in het universum, de elektronen, volg deze regel. Voor toekomstige ultrasnelle elektronische componenten, echter, het zou nuttig zijn om de traagheid van het elektron te omzeilen. fotonen, de quanta van licht, laten zien hoe dit zou kunnen werken. Fotonen dragen geen massa en kunnen dus met de hoogst mogelijke snelheid bewegen, de snelheid van het licht. Voor een verandering van richting, ze hoeven niet te vertragen; wanneer ze worden weerkaatst door een spiegel, bijvoorbeeld, ze veranderen abrupt van richting zonder tussenstop. Dergelijk gedrag is zeer wenselijk voor toekomstige elektronica omdat de richting van stromen oneindig snel zou kunnen worden geschakeld en de kloksnelheid van processors enorm zou kunnen worden verhoogd. Nog, fotonen dragen geen elektrische lading, wat een vereiste is voor elektronische apparaten.

Een internationaal consortium van natuurkundigen van de Universiteit van Regensburg, de Universiteit van Marburg, en de Russische Academie van Wetenschappen in Novosibirsk slaagde erin de beweging van elektronen op ultrasnelle tijdschalen om te draaien zonder ze te vertragen. In hun studie hebben ze gebruikten de nieuwe materiaalklasse van topologische isolatoren. Op hun oppervlakken, elektronen gedragen zich als massaloze deeltjes die bijna als licht bewegen. Om de bewegingsrichting van die elektronen zo snel mogelijk te veranderen, de onderzoekers versnelden elektronen met het oscillerende dragerveld van licht - het snelste wisselveld in de natuur dat door de mensheid kan worden gecontroleerd.

Wanneer de elektronen hun bewegingsrichting abrupt omkeren, ze zenden een ultrakorte lichtflits uit die een breedbandig spectrum van kleuren bevat, zoals in een regenboog. Er zijn strikte regels over welke kleuren worden uitgestraald:wanneer elektronen worden versneld door lichtgolven wordt alleen straling uitgezonden, waarvan de oscillatiefrequentie een geheel veelvoud is van de frequentie van het invallende licht, zogenaamde harmonische straling van hoge orde. "Door het versnellende lichtveld zorgvuldig af te stellen, we waren in staat om deze regel te breken. We zijn erin geslaagd om de beweging van de elektronen zo te regelen dat licht van elke denkbare kleur kan worden gegenereerd, " legt Christoph Schmid uit, eerste auteur van de studie.

Bij een zorgvuldige analyse van de uitgezonden straling, de wetenschappers vonden nog meer ongebruikelijke kwantumeigenschappen van de elektronen. Het werd duidelijk dat de elektronen op het oppervlak van een topologische isolator niet in rechte lijnen bewegen volgens het elektrische veld van licht, maar eerder meanderende banen door de vaste stof uitvoeren. "Zelfs voor een theoreticus, het is hoogst fascinerend om te zien welke fenomenen de kwantummechanica kan produceren als je maar een beetje beter kijkt, " verduidelijkt Dr. Jan Wilhelm, die de experimentele bevindingen met succes verklaarde met een simulatie die hij samen met zijn collega's van het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Regensburg ontwikkelde.

"Deze resultaten bieden niet alleen intrigerende inzichten in de microscopische kwantumaard van elektronen, ze suggereren ook topologische isolatoren als een veelbelovende materiaalklasse voor toekomstige elektronica en informatieverwerking, " vat Prof. Dr. Rupert Huber samen, die het experimentele werk in Regensburg leidde. Dergelijke verwachtingen volgen perfect de missie van het Collaborative Research Centre SFB 1277, gefinancierd door de Duitse Wetenschapsstichting. Binnen dit netwerk is experimentele en theoretische natuurkundigen onderzoeken nieuwe relativistische effecten in gecondenseerde materie en testen mogelijkheden om hun bevindingen te implementeren in toekomstige hightech toepassingen.

De nieuwe bevindingen worden gerapporteerd in het komende nummer van Natuur .