Le leggi della fisica quantistica governano il microcosmo. determinano, Per esempio, quanto facilmente gli elettroni si muovono attraverso un cristallo e quindi se il materiale è un metallo, un semiconduttore o un isolante. La fisica quantistica può portare a proprietà esotiche in alcuni materiali:nei cosiddetti isolanti topologici, solo gli elettroni che possono occupare alcuni stati quantistici specifici sono liberi di muoversi come particelle prive di massa sulla superficie, mentre questa mobilità è completamente assente per gli elettroni nella massa. Cosa c'è di più, gli elettroni di conduzione nella "pelle" del materiale sono necessariamente spin polarizzati, e forma robusta, stati di superficie metallica che potrebbero essere utilizzati come canali in cui pilotare correnti di spin puro su scale temporali a femtosecondi (1 fs =10 ^-15 S).

Queste proprietà aprono interessanti opportunità per sviluppare nuove tecnologie dell'informazione basate su materiali topologici, come la spintronica ultraveloce, sfruttando lo spin degli elettroni sulle loro superfici piuttosto che la carica. In particolare, l'eccitazione ottica mediante impulsi laser a femtosecondi in questi materiali rappresenta un'alternativa promettente per realizzare trasferimento senza perdita di informazioni di spin. I dispositivi spintronici che utilizzano queste proprietà hanno il potenziale di prestazioni superiori, in quanto consentirebbero di aumentare la velocità di trasporto delle informazioni fino a frequenze mille volte superiori rispetto all'elettronica moderna.

Però, molte domande devono ancora essere risolte prima di poter sviluppare dispositivi spintronici. Per esempio, i dettagli di come esattamente gli elettroni di massa e di superficie di un materiale topologico rispondono allo stimolo esterno, cioè, l'impulso laser, e il grado di sovrapposizione nei loro comportamenti collettivi su scale temporali ultrabrevi.

Un team guidato dal fisico HZB Dr. Jaime Sánchez-Barriga ha ora portato nuove intuizioni su tali meccanismi. Il gruppo, che ha anche istituito un gruppo di ricerca congiunto Helmholtz-RSF in collaborazione con i colleghi della Lomonosov State University, Mosca, esaminati singoli cristalli di antimonio elementare (Sb), precedentemente suggerito di essere un materiale topologico. "È una buona strategia studiare fisica interessante in un sistema semplice, perché è lì che possiamo sperare di comprendere i principi fondamentali, " Sánchez-Barriga spiega. "La verifica sperimentale della proprietà topologica di questo materiale ci ha richiesto di osservare direttamente la sua struttura elettronica in uno stato altamente eccitato nel tempo, rotazione, risoluzioni di energia e slancio, e in questo modo abbiamo avuto accesso ad una insolita dinamica elettronica, " aggiunge Sánchez-Barriga.

Lo scopo era capire quanto velocemente gli elettroni eccitati nella massa e sulla superficie di Sb reagiscono all'input di energia esterno, e per esplorare i meccanismi che governano la loro risposta. "Controllando il ritardo tra l'eccitazione laser iniziale e il secondo impulso che ci permette di sondare la struttura elettronica, siamo stati in grado di costruire un'immagine risolta nel tempo di come gli stati eccitati escono e ritornano all'equilibrio su scale temporali ultraveloci. La combinazione unica di capacità risolte in tempo e spin ci ha anche permesso di sondare direttamente la polarizzazione dello spin di stati eccitati molto fuori equilibrio", dice il dottor Oliver J. Clark.

I dati mostrano una struttura 'kink' nella dispersione dell'energia-impulso transitoriamente occupata degli stati superficiali, che può essere interpretato come un aumento della massa effettiva dell'elettrone. Gli autori sono stati in grado di dimostrare che questo potenziamento di massa gioca un ruolo decisivo nel determinare la complessa interazione nei comportamenti dinamici degli elettroni dalla massa e dalla superficie, anche a seconda della loro rotazione, seguendo l'eccitazione ottica ultraveloce.

"La nostra ricerca rivela quali proprietà essenziali di questa classe di materiali sono la chiave per controllare sistematicamente le scale temporali rilevanti in cui le correnti spin-polarizzate senza perdita potrebbero essere generate e manipolate, " spiega Sánchez-Barriga. Questi sono passi importanti sulla strada dei dispositivi spintronici che, basati su materiali topologici, possiedono funzionalità avanzate per l'elaborazione delle informazioni ultraveloce.