In fisica, sono attualmente oggetto di un'intensa attività di ricerca; nell'elettronica, potrebbero abilitare funzioni completamente nuove. I cosiddetti materiali topologici sono caratterizzati da speciali proprietà elettroniche, che sono anche molto robusti contro le perturbazioni esterne. Questo gruppo di materiali comprende anche il ditelluride di tungsteno. In questo materiale, un tale stato topologicamente protetto può essere "spezzato" mediante speciali impulsi laser entro pochi trilionesimi di secondo ("picosecondi") e quindi modificarne le proprietà. Questo potrebbe essere un requisito fondamentale per realizzare in tempi estremamente rapidi, interruttori optoelettronici.

Per la prima volta, fisici dell'Università di Kiel (CAU), in collaborazione con i ricercatori del Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (MPI-CPfS) di Dresda, Tsinghua University di Pechino e Shanghai Tech University, sono stati in grado di osservare i cambiamenti alle proprietà elettroniche di questo materiale in esperimenti in tempo reale. Utilizzando impulsi laser, mettono gli atomi in un campione di ditelluride di tungsteno in uno stato di eccitazione controllata, e sono stati in grado di seguire i cambiamenti risultanti nelle proprietà elettroniche "dal vivo" con misurazioni ad alta precisione. Hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

Semimetalli Weyl con proprietà elettroniche insolite

"Se questi cambiamenti indotti dal laser possono essere nuovamente invertiti, abbiamo essenzialmente un interruttore che può essere attivato otticamente, e che può cambiare tra diversi stati elettronici, " ha spiegato Michael Bauer, professore di fisica dello stato solido al CAU. Un tale processo di commutazione è già stato previsto da un altro studio, in cui i ricercatori degli Stati Uniti sono stati recentemente in grado di osservare direttamente i movimenti atomici nel ditelluride di tungsteno. Nel loro studio, i fisici dell'Istituto di Fisica Sperimentale e Applicata del CAU ora si sono concentrati sul comportamento degli elettroni, e come le proprietà elettroniche nello stesso materiale possono essere alterate usando impulsi laser.

"Alcuni degli elettroni nel ditelluride di tungsteno sono altamente mobili, quindi sono eccellenti supporti di informazioni per applicazioni elettroniche. Ciò è dovuto al fatto che si comportano come i cosiddetti fermioni di Weyl, " ha detto il ricercatore di dottorato Petra Hein per spiegare le proprietà insolite del materiale, noto anche come semimetallo Weyl. I fermioni di Weyl sono particelle prive di massa con proprietà speciali e in precedenza sono state osservate solo indirettamente come "quasi particelle" in solidi come il ditelluride di tungsteno. "Per la prima volta, ora siamo stati in grado di rendere visibili i cambiamenti nelle aree della struttura elettronica, in cui sono esposte queste proprietà Weyl."

L'eccitazione del materiale cambia le sue proprietà elettroniche

Per catturare i cambiamenti appena visibili nelle proprietà elettroniche un disegno sperimentale altamente sensibile, erano necessarie misurazioni estremamente precise e un'analisi approfondita dei dati ottenuti. Negli ultimi anni il team di ricerca di Kiel è stato in grado di sviluppare tale esperimento con la necessaria stabilità a lungo termine. Con gli impulsi laser generati mettono gli atomi all'interno di un campione di ditelluride di tungsteno in uno stato di eccitazione vibrazionale. Sorsero diverse eccitazioni vibrazionali sovrapposte, che a sua volta ha cambiato le proprietà elettroniche del materiale. "Una di queste vibrazioni atomiche era nota per modificare le proprietà elettroniche di Weyl. Volevamo scoprire esattamente come si presenta questo cambiamento, " ha detto Hein per descrivere uno degli obiettivi chiave dello studio.

Una serie di istantanee mostra come cambiano le proprietà

Per osservare questo specifico processo, il team di ricerca ha irradiato il materiale con un secondo impulso laser dopo pochi picosecondi. Questo ha rilasciato elettroni dal campione, che ha permesso di trarre conclusioni sulla struttura elettronica del materiale:il metodo è noto come "spettroscopia fotoelettronica risolta nel tempo". "A causa del breve tempo di esposizione di soli 0,1 picosecondi, otteniamo un'istantanea dello stato elettronico del materiale. Possiamo combinare molte di queste singole immagini in un film e quindi osservare come il materiale reagisce all'eccitazione del primo impulso laser, " ha detto il dottor Stephan Jauernik per spiegare il metodo di misurazione.

La registrazione di un singolo set di dati sul processo di modifica estremamente breve richiedeva in genere una settimana. Il team di ricerca di Kiel ha valutato un gran numero di tali set di dati utilizzando un approccio analitico di nuova concezione ed è stato quindi in grado di visualizzare i cambiamenti nelle proprietà elettroniche Weyl del ditelluride di tungsteno.

Possibilità di processi di commutazione estremamente brevi

"I nostri risultati dimostrano l'interazione sensibile e altamente selettiva tra le vibrazioni degli atomi del solido e le insolite proprietà elettroniche del ditelluride di tungsteno, " ha riassunto Bauer. La ricerca di follow-up mira a indagare se tali processi di commutazione elettronica possono essere attivati ​​ancora più velocemente, direttamente dall'impulso laser irradiante, come è già stato previsto teoricamente per altri materiali topologici.