Gli isolanti topologici sono materiali quantistici, quale, grazie alla loro struttura elettronica esotica, su superfici e bordi conducono la corrente elettrica come il metallo, mentre funge da isolante alla rinfusa. Gli scienziati del Max-Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) hanno dimostrato per la prima volta come distinguere i materiali topologici dalle loro controparti normali, banali, entro un milionesimo di miliardesimo di secondo, sondandolo con ultra -luce laser veloce. Il loro metodo potrebbe aprire la strada all'utilizzo di tali materiali come elementi logici nell'elettronica controllata dalla luce in grado di elaborare le informazioni decine di migliaia di volte più velocemente possibile. Il loro studio è apparso in Fotonica della natura .

L'illustrazione più comune del concetto di topologia coinvolge un pretzel elastico, che può essere allungato, piegato, o attorcigliato in alcun modo; non importa la deformazione, è impossibile fare un bagel da un pretzel o aggiungere buchi ad esso, senza farla a pezzi. Il numero di fori in un pretzel è quindi invariante e fornisce informazioni topologiche sulla forma del pretzel.

In un materiale solido, le leggi della meccanica quantistica limitano quali energie possono avere gli elettroni, portando alla formazione di bande con energie consentite o proibite. Utilizzando il concetto di topologia, i fisici possono descrivere forme complesse di bande di energia consentite e assegnare loro un numero topologico specifico. Una speciale topologia della struttura a bande in un sistema materiale si manifesta in proprietà esotiche che possono essere osservate, come la conduttività superficiale negli isolanti topologici.

"L'aspetto più notevole della topologia è la sua robustezza:le proprietà indotte dalla topologia sono protette da essa, " spiega uno dei due principali autori dell'articolo Dr. Álvaro Jiménez-Galán di MBI. Allo stesso modo in cui non possiamo cambiare il numero di fori in un pretzel senza romperlo, le impurità e altre perturbazioni che di solito interrompono la capacità del materiale di condurre elettricità non influiscono sull'elevata mobilità degli elettroni sulla superficie degli isolanti topologici. L'immunità alle impurità è il motivo per cui i materiali topologici si rivolgono fortemente alle industrie elettroniche.

Fare in modo che gli elettroni "parlino" di topologia

Sebbene la topologia del sistema sia profondamente legata al comportamento degli elettroni al suo interno, l'impronta delle proprietà topologiche sulla dinamica degli elettroni alla scala temporale di un milionesimo di miliardesimo di secondo non è stata finora scoperta. Utilizzando simulazioni numeriche e analisi teoriche, il gruppo di MBI ha dimostrato che le informazioni sulla topologia del sistema sono effettivamente codificate in questa dinamica elettronica estremamente veloce e possono essere recuperate osservando la luce emessa dagli elettroni mentre vengono eccitati con la luce laser. "Se immaginiamo gli elettroni in un solido che si muovono all'interno di bande di energia come corridori su una pista da corsa, quindi il nostro metodo permette di conoscere la topologia di questo circuito, misurando semplicemente l'accelerazione dei corridori, " chiarisce la Prof.ssa Dott.ssa Olga Smirnova, capo di un gruppo di teoria MBI. Gli impulsi laser ultracorti eccitano gli elettroni del sistema, facendoli saltare da una fascia energetica a una più alta, accelerandoli sulla nuova pista. Gli elettroni accelerati emettono quindi luce e ricadono rapidamente nella posizione inferiore. Questo processo dura solo una parte infinitesimale di un secondo, ma è sufficiente per un elettrone per "sentire" la sottile differenza tra le strutture energetiche degli isolanti banali e topologici e "codificare" questa informazione nella luce emessa.

Verso l'elettronica a onde luminose ultraveloci

Il lavoro attuale dimostra come distinguere tra isolanti banali e topologici a una velocità ultraveloce, in altre parole, per "leggere" le informazioni topologiche del sistema mediante spettroscopia laser. Per il passaggio successivo, i ricercatori dell'MBI intendono utilizzare questa conoscenza per convertire un banale isolante in un topologico e viceversa con luce laser, ovvero per "scrivere" le informazioni topologiche in un materiale a una velocità simile. La prova teorica di questo effetto potrebbe portare avanti l'implementazione di materiali topologici nell'elettronica a controllo ottico, dove solo la velocità di risposta elettronica alla luce definisce il limite per la velocità di elaborazione delle informazioni.