Топологические изоляторы - это класс материалов, меняющий правила игры; заряженные частицы могут свободно течь по краям и прокладываться вокруг дефектов, но не могут проходить через их них. Такая идеальная проводимость поверхности обещает обеспечить быструю и эффективную работу электронных схем, хотя инженеры вынуждены иметь дело с тем фактом, что внутренние поверхности таких материалов фактически растрачиваются впустую.
Топологическими изоляторами являются квантовые материалы, которые в силу своей экзотической электронной структуры на поверхности и кромках проводят электрический ток, подобно металлу, одновременно выступая в качестве изолятора в насыпном виде. Ученые из Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии имени Макса-Борна (MBI) впервые продемонстрировали, как отличать топологические материалы от своих обычных - тривиальных - аналогов в миллионных долях миллиардной доли секунды путем измерения их сверхбыстрым лазерным светом. Их метод мог бы открыть путь для использования таких материалов в качестве логических элементов в светоуправляемой электронике, способной обрабатывать информацию в десятки тысяч раз быстрее, чем это возможно в настоящее время.
Наиболее распространенной иллюстрацией концепции топологии является эластичный крендель, который можно растянуть, согнуть или скрутить любым способом; вне зависимости от деформации, невозможно сделать бублик из кренделя или добавить в него отверстия, не разорвав его на части. Таким образом, количество отверстий в крендельке остается неизменным и дает топологическую информацию о форме кренделя.
В твердом материале квантово-механические законы ограничивают, какие энергии могут иметь электроны, приводя к образованию полос с разрешенной или запрещенной энергией. Используя концепцию топологии, физики могут описать сложные формы разрешенных энергетических полос и присвоить им определенный топологический номер. Особая топология структуры ленты в системе материалов проявляется в экзотических свойствах, которые можно наблюдать, таких как проводимость поверхности в топологических изоляторах.
"Наиболее примечательным аспектом топологии является ее надежность: свойства, вызываемые топологией, защищены ею", - объясняет один из двух главных авторов статьи д-р Альваро Хименес-Галан из MBI. Так же, как мы не можем изменить количество отверстий в крендельке без его разрушения, примеси и другие возмущения, которые обычно нарушают способность материала проводить электричество, не влияют на высокую электронную подвижность на поверхности топологических изоляторов. Невосприимчивость к загрязнениям является причиной того, что топологические материалы очень привлекательны для электронной промышленности.
Заставляя электроны "говорить" о топологии.
Хотя топология системы тесно связана с поведением электронов в ней, отпечаток топологических свойств на динамике электронов во временном масштабе миллионных миллионных долей миллиардной доли секунды до сих пор не обнаружен. Используя численное моделирование и теоретический анализ, группа MBI доказала, что информация о топологии системы действительно закодирована в этой чрезвычайно быстрой электронной динамике и может быть получена, глядя на свет, испускаемый электронами, когда они возбуждены лазерным светом. "Если мы представляем себе электроны в твердом движении в энергетических полосах в качестве бегунов на гоночном треке, то наш метод позволяет узнать топологию этого гоночного трека, просто измерив ускорение бегунов", - поясняет профессор Ольга Смирнова, руководитель группы MBI Theory. Сверхкороткий лазерный импульс возбуждает электроны системы, заставляя их прыгать из одной энергетической полосы в более высокую, ускоряя их на новом треке. Затем ускоренные электроны испускают свет и быстро возвращаются в нижнее положение. Этот процесс длится всего лишь бесконечно малую часть секунды, но электрона достаточно, чтобы "почувствовать" тонкую разницу между энергетическими структурами тривиальных и топологических изоляторов и "закодировать" эту информацию в излучаемом свете.
На пути к сверхбыстрой светосиловой электронике
Данная работа демонстрирует, как очень быстро различать тривиальные и топологические изоляторы, другими словами, "считывать" топологическую информацию системы с помощью лазерной спектроскопии. На следующем этапе исследователи MBI планируют использовать эти знания для преобразования тривиального изолятора в топологический и наоборот с лазерным излучением, то есть "записывать" топологическую информацию в материал с той же скоростью. Теоретическое доказательство этого эффекта могло бы способствовать внедрению топологических материалов в оптически контролируемую электронику, где только скорость электронного отклика на свет определяет предел скорости обработки информации.