De wetten van de kwantumfysica beheersen de microkosmos. Ze bepalen, bijvoorbeeld, hoe gemakkelijk elektronen door een kristal bewegen en dus of het materiaal een metaal is, een halfgeleider of een isolator. Kwantumfysica kan leiden tot exotische eigenschappen in bepaalde materialen:In zogenaamde topologische isolatoren, alleen de elektronen die een aantal specifieke kwantumtoestanden kunnen bezetten, kunnen vrij bewegen als massaloze deeltjes op het oppervlak, terwijl deze mobiliteit volledig afwezig is voor elektronen in de bulk. Bovendien, de geleidingselektronen in de "huid" van het materiaal zijn noodzakelijkerwijs spin-gepolariseerd, en vorm robuust, metalen oppervlaktetoestanden die kunnen worden gebruikt als kanalen om pure spinstromen op femtoseconde tijdschalen aan te sturen (1 fs =10 ^-15 s).

Deze eigenschappen bieden spannende mogelijkheden om nieuwe informatietechnologieën te ontwikkelen op basis van topologische materialen, zoals ultrasnelle spintronica, door gebruik te maken van de spin van de elektronen op hun oppervlak in plaats van de lading. Vooral, optische excitatie door femtoseconde laserpulsen in deze materialen vormt een veelbelovend alternatief om zeer efficiënte, verliesvrije overdracht van spin-informatie. Spintronic-apparaten die deze eigenschappen gebruiken, hebben het potentieel van superieure prestaties, omdat ze het mogelijk zouden maken om de snelheid van informatietransport tot frequenties duizend keer sneller te verhogen dan in moderne elektronica.

Echter, veel vragen moeten nog worden beantwoord voordat spintronische apparaten kunnen worden ontwikkeld. Bijvoorbeeld, de details van hoe de bulk- en oppervlakte-elektronen van een topologisch materiaal precies reageren op de externe stimulus, d.w.z. de laserpuls, en de mate van overlap in hun collectieve gedrag op ultrakorte tijdschalen.

Een team onder leiding van HZB-natuurkundige Dr. Jaime Sánchez-Barriga heeft nu nieuwe inzichten in dergelijke mechanismen gebracht. Het team, die ook een Helmholtz-RSF Joint Research Group heeft opgericht in samenwerking met collega's van de Lomonosov State University, Moskou, onderzocht enkele kristallen van elementair antimoon (Sb), eerder gesuggereerd als een topologisch materiaal. "Het is een goede strategie om interessante natuurkunde te bestuderen in een eenvoudig systeem, want daar kunnen we hopen de fundamentele principes te begrijpen, " Sánchez-Barriga legt uit. "De experimentele verificatie van de topologische eigenschap van dit materiaal vereiste dat we de elektronische structuur in een zeer aangeslagen toestand met de tijd direct observeren, draaien, energie- en impulsresoluties, en op deze manier kregen we toegang tot een ongewone elektronendynamiek, ", voegt Sánchez-Barriga toe.

Het doel was om te begrijpen hoe snel geëxciteerde elektronen in de bulk en op het oppervlak van Sb reageren op de externe energie-invoer, en om de mechanismen te onderzoeken die hun reactie bepalen. "Door de tijdsvertraging tussen de initiële laserexcitatie en de tweede puls te regelen, waardoor we de elektronische structuur kunnen onderzoeken, we waren in staat om een ​​volledig tijdsopgelost beeld op te bouwen van hoe opgewonden toestanden vertrekken en terugkeren naar evenwicht op ultrasnelle tijdschalen. De unieke combinatie van tijd en spin-opgeloste mogelijkheden stelde ons ook in staat om de spin-polarisatie van aangeslagen toestanden ver buiten het evenwicht direct te onderzoeken", zegt Dr. Oliver J. Clark.

De gegevens tonen een 'knik'-structuur in tijdelijk bezette energie-impulsdispersie van oppervlaktetoestanden, wat kan worden geïnterpreteerd als een toename van de effectieve elektronenmassa. De auteurs konden aantonen dat deze massaversterking een beslissende rol speelt bij het bepalen van het complexe samenspel in het dynamische gedrag van elektronen uit de bulk en het oppervlak, ook afhankelijk van hun draai, na de ultrasnelle optische excitatie.

"Ons onderzoek laat zien welke essentiële eigenschappen van deze klasse materialen de sleutel zijn om systematisch de relevante tijdschalen te beheersen waarin verliesvrije spin-gepolariseerde stromen kunnen worden gegenereerd en gemanipuleerd, ", legt Sánchez-Barriga uit. Dit zijn belangrijke stappen op weg naar spintronische apparaten die gebaseerd zijn op topologische materialen en beschikken over geavanceerde functionaliteiten voor ultrasnelle informatieverwerking.