Zacznijmy od tego, że mówimy o egzotycznym stanie skupienia materii, który do tej pory występował wyłącznie w modelach teoretycznych i symulacjach komputerowych. Wyniki badań są dostępne na łamach Nature Physics i pokazują, że odpowiednio dobrane impulsy laserowe mogą na bardzo krótki czas całkowicie zmienić właściwości półprzewodnika, przekształcając go w materiał przewodzący prąd na swojej powierzchni bez jakichkolwiek zmian w jego składzie chemicznym czy strukturze atomowej.
Topologiczne izolatory od lat należą do najbardziej fascynujących materiałów badanych przez fizyków. W ich wnętrzu elektrony praktycznie nie mogą się poruszać, natomiast powierzchnia przewodzi prąd z niezwykłą odpornością na zakłócenia. Ta wyjątkowa cecha sprawia, iż materiały tego typu stanowią głównych kandydatów do zastosowań w przyszłych komputerach kwantowych oraz urządzeniach spintronicznych, wykorzystujących nie tylko ładunek elektronu, lecz również jego spin.
Czytaj też: Kamień z Chile podważa prawa fizyki. Natura tworzy układy, o jakich fizycy nawet nie śnili
Dotychczas właściwości topologiczne były jednak związane przede wszystkim z naturalną budową krystaliczną materiału. Od kilkunastu lat naukowcy rozwijają alternatywne podejście określane mianem inżynierii Floqueta. Zakłada ono wykorzystanie intensywnego, szybko oscylującego światła do czasowej zmiany struktury elektronowej materiału. W efekcie elektrony zaczynają zachowywać się tak, jakby znajdowały się w zupełnie innym materiale, mimo że jego skład chemiczny i ułożenie atomów pozostają niezmienione.
Już w 2011 roku pojawił się teoretyczny model stworzenia topologicznego izolatora Floqueta, jednak przez ponad dekadę nikomu nie udało się jednoznacznie potwierdzić jego istnienia. Przewidywany stan trwa zaledwie ułamki bilionowych części sekundy i bardzo łatwo pomylić go z innymi efektami powstającymi podczas oddziaływania światła z materią. Cóż, kompletnie się temu nie dziwię.
Na szczęście niedawno doszło do przełomu, którego dokonał zespół kierowany przez Claude’a Monneya z Uniwersytetu we Fryburgu. Badacze wykorzystali półprzewodnik złożony z tellurku cyny, który znajduje się bardzo blisko naturalnego przejścia do fazy topologicznej. Dzięki temu nawet niewielka ingerencja światła mogła wywołać oczekiwaną zmianę właściwości elektronowych.
Eksperyment odbył się w temperaturze zaledwie 30 kelwinów, czyli około minus 243 stopni Celsjusza. Fizycy oświetlili kryształ ultrakrótkimi impulsami laserowymi trwającymi femtosekundy, a więc milionowe części miliardowej sekundy. Równocześnie zastosowali zaawansowaną technikę spektroskopii fotoemisyjnej z rozdzielczością czasową, pozwalającą niemal sfotografować rozmieszczenie elektronów w materiale w kolejnych momentach eksperymentu.
To właśnie podczas nakładania się impulsów laserowych naukowcy zaobserwowali pojawienie się charakterystycznej struktury elektronowej zwanej stożkiem Diraca. Jest ona jednym z najważniejszych sygnałów świadczących o występowaniu topologicznego stanu powierzchniowego. Co istotne, struktura ta nie występuje w zwykłym stanie tellurku cyny, a około 100 femtosekund po zakończeniu impulsu laserowego całkowicie znikała, pozostawiając materiał w jego pierwotnym stanie.
Czytaj też: Fizycy zapanowali nad potęgą czarnej dziury. Potwierdzili to, o czym mówiło się 50 lat temu
Autorzy tych rewelacji przeprowadzili również szereg dodatkowych testów, aby wykluczyć inne możliwe wyjaśnienia obserwowanego efektu. Sprawdzili między innymi wpływ polaryzacji światła oraz różnych energii impulsów laserowych. Wyniki pokazały, że efekt pojawiał się wyłącznie przy odpowiednim dostrojeniu lasera do przerwy energetycznej materiału. Jednocześnie analiza zmian struktury krystalicznej wykazała, że atomy pozostawały nieruchome przez cały czas trwania eksperymentu.
Jaki z tego wniosek? Wygląda na to, że za obserwowany efekt odpowiada wyłącznie reorganizacja elektronów. Światło powoduje inwersję pasm energetycznych, czyli zamianę charakteru pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego. W rezultacie elektrony zaczynają zachowywać się tak, jak gdyby materiał znajdował się w swojej naturalnej fazie topologicznej, mimo że sama sieć krystaliczna pozostaje niezmieniona. Możliwość kontrolowania właściwości materiałów wyłącznie za pomocą światła powinna otworzyć drzwi do projektowania zupełnie nowych elementów elektronicznych i kwantowych, których właściwości będzie można zmieniać niemal natychmiast – bez ingerencji w ich budowę chemiczną czy mechaniczną.
Źródło: Nature Physics
