Los aislantes topológicos son materiales cuánticos que, debido a su estructura electrónica exótica, en superficies y bordes conducen corriente eléctrica como el metal, mientras actúan como un aislante a granel. Científicos del Instituto Max-Born para Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto MBI han demostrado por primera vez cómo distinguir los materiales topológicos de sus homólogos regulares, triviales, dentro de una millonésima de billonésima de segundo al sondearlo con luz láser ultrarrápida. Su método podría abrir el camino para talmateriales para ser utilizados como elementos lógicos en electrónica controlada por luz capaz de procesar información decenas de miles de veces más rápido que sea posible actualmente. Su estudio apareció en Fotónica de la naturaleza .
La ilustración más común del concepto de topología implica un pretzel elástico, que se puede estirar, doblar o torcer de cualquier manera; sin importar la deformación, es imposible hacer un panecillo con un pretzel o agregarle agujeros,sin desgarrarlo. El número de agujeros en un pretzel es invariable y proporciona información topológica sobre la forma del pretzel.
En un material sólido, las leyes de mecánica cuántica restringen qué energías pueden tener los electrones, lo que lleva a la formación de bandas con energías permitidas o prohibidas. Utilizando el concepto de topología, los físicos pueden describir formas complejas de bandas de energía permitidas y asignarles unnúmero topológico específico: una topología especial de la estructura de la banda en un sistema material se manifiesta en propiedades exóticas que se pueden observar, como la conductividad de la superficie en los aislantes topológicos.
"El aspecto más notable de la topología es su robustez: las propiedades inducidas por la topología están protegidas por ella", explica uno de los dos autores principales del artículo, el Dr. Álvaro Jiménez-Galán de MBI. De la misma manera que no podemos cambiarEl número de agujeros en un pretzel sin romperlo, las impurezas y otras perturbaciones que generalmente interrumpen la capacidad del material para conducir electricidad no afectan la alta movilidad de electrones en la superficie de los aisladores topológicos. La inmunidad a las impurezas es la razón por la cual los materiales topológicos son muy fuertes.atractivo para las industrias electrónicas.
Hacer que los electrones "hablen" sobre la topología
Aunque la topología del sistema está profundamente vinculada al comportamiento de los electrones en él, la huella de las propiedades topológicas en la dinámica de los electrones en la escala de tiempo de una millonésima de una billonésima de segundo no se ha descubierto hasta ahora.Simulaciones numéricas y análisis teóricos, el grupo de MBI ha demostrado que la información sobre la topología del sistema de hecho está codificada en esta dinámica de electrones extremadamente rápida y puede recuperarse observando la luz emitida por los electrones cuando están excitados con la luz láser ".electrones en un movimiento sólido dentro de las bandas de energía como corredores en la pista de carreras, entonces nuestro método permite aprender sobre la topología de esta pista de carreras, simplemente midiendo la aceleración de los corredores ", aclara la Prof. Dra. Olga Smirnova, directora de unGrupo de teoría MBI. Los pulsos láser ultracortos excitan los electrones del sistema, haciéndolos saltar de una banda de energía a una más alta, acelerándolos en la nueva pista.n emiten luz y vuelven rápidamente a la posición inferior.Este proceso dura simplemente una parte infinitesimal de un segundo, pero es suficiente para que un electrón "sienta" la fina diferencia entre las estructuras de energía de los aislantes triviales y topológicos y "codifique" esta información en la luz emitida.
En el camino hacia la electrónica ultrarrápida de ondas de luz
El trabajo actual demuestra cómo distinguir entre aislantes triviales y topológicos a una velocidad ultrarrápida, en otras palabras, para "leer" la información topológica del sistema mediante espectroscopía láser. Para el siguiente paso, los investigadores de MBI planeanutilice este conocimiento para convertir un aislante trivial en un topológico y viceversa con luz láser, es decir, "escribir" la información topológica en un material a una velocidad similar. La prueba teórica de este efecto podría adelantar la implementación de materiales topológicosen electrónica controlada ópticamente, donde solo la velocidad de respuesta electrónica a la luz define el límite para la velocidad del procesamiento de la información.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Forschungsverbund Berlin . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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