Per cambiare la direzione del movimento di un oggetto massiccio, come una macchina, deve essere prima rallentato e portato a un arresto completo. Anche i più piccoli portatori di carica dell'universo, gli elettroni, segui questa regola. Per i futuri componenti elettronici ultraveloci, però, sarebbe utile aggirare l'inerzia dell'elettrone. fotoni, i quanti di luce, mostra come potrebbe funzionare. I fotoni non trasportano massa e possono quindi muoversi alla massima velocità possibile, la velocità della luce. Per un cambio di rotta, non hanno bisogno di rallentare; quando sono riflessi da uno specchio, ad esempio, cambiano bruscamente direzione senza scalo. Tale comportamento è altamente desiderabile per l'elettronica futura perché la direzione delle correnti potrebbe essere commutata infinitamente rapidamente e la frequenza di clock dei processori potrebbe essere aumentata in modo massiccio. Ancora, i fotoni non trasportano carica elettrica, che è un prerequisito per i dispositivi elettronici.

Un consorzio internazionale di fisici dell'Università di Regensburg, l'Università di Marburgo, e l'Accademia Russa delle Scienze di Novosibirsk è riuscita a invertire il movimento degli elettroni su scale temporali ultraveloci senza rallentarli. Nel loro studio, hanno impiegato la nuova classe materiale di isolanti topologici. Sulla loro superficie, gli elettroni si comportano come particelle prive di massa che si muovono quasi come la luce. Per cambiare la direzione del movimento di quegli elettroni il più rapidamente possibile, i ricercatori hanno accelerato gli elettroni con il campo portatore di luce oscillante, il campo alternato più veloce in natura controllabile dall'umanità.

Quando gli elettroni invertono bruscamente la loro direzione di moto, emettono un lampo di luce ultracorto contenente uno spettro di colori a banda larga come in un arcobaleno. Ci sono regole rigide su quali colori vengono emessi:generalmente, quando gli elettroni sono accelerati dalle onde luminose viene emessa solo radiazione, la cui frequenza di oscillazione è un multiplo intero della frequenza della luce incidente, cosiddetta radiazione armonica di ordine superiore. "Regolando attentamente il campo luminoso in accelerazione, siamo stati in grado di infrangere questa regola. Siamo riusciti a controllare il movimento degli elettroni in modo che potesse essere generata luce di ogni colore immaginabile, " spiega Christoph Schmid, primo autore dello studio.

In un'attenta analisi della radiazione emessa, gli scienziati hanno scoperto ulteriori proprietà quantistiche insolite degli elettroni. Divenne evidente che gli elettroni sulla superficie di un isolante topologico non si muovono in linea retta seguendo il campo elettrico della luce, ma piuttosto compiono traiettorie tortuose attraverso il solido. "Anche per un teorico, è molto affascinante vedere quali fenomeni può produrre la meccanica quantistica se guardi solo un po' più da vicino, " chiarisce il dottor Jan Wilhelm, che ha spiegato con successo i risultati sperimentali con una simulazione che ha sviluppato insieme ai suoi colleghi dell'Istituto di Fisica Teorica dell'Università di Regensburg.

"Questi risultati non solo forniscono interessanti spunti sulla natura quantistica microscopica degli elettroni, ma suggeriscono anche isolanti topologici come classe di materiali promettenti per l'elettronica futura e l'elaborazione delle informazioni, " riassume il Prof. Dr. Rupert Huber, che ha condotto il lavoro sperimentale a Ratisbona. Tali aspettative seguono perfettamente la missione del Centro di ricerca collaborativa SFB 1277, finanziato dalla Fondazione tedesca della scienza. All'interno di questa rete, i fisici sperimentali e teorici esplorano nuovi effetti relativistici nella materia condensata e testano le possibilità di implementare le loro scoperte in future applicazioni high-tech.

Le nuove scoperte sono riportate nel prossimo numero di Natura .