Isoladores topológicos são materiais quânticos, que, devido à sua estrutura eletrônica exótica, em superfícies e bordas conduzem corrente elétrica como metal, enquanto atua como um isolante em massa. Cientistas do Instituto Max-Born de Óptica Não Linear e Espectroscopia de Pulso Curto (MBI) demonstraram pela primeira vez como distinguir materiais topológicos de seus equivalentes regulares - triviais - dentro de um milionésimo de bilionésimo de segundo por meio de sondagem com ultra - luz laser rápida. O método deles pode abrir o caminho para que esses materiais sejam usados ​​como elementos lógicos em eletrônicos controlados por luz, capazes de processar informações dezenas de milhares de vezes mais rápido do que atualmente é possível. Seu estudo apareceu em Nature Photonics .

A ilustração mais comum do conceito de topologia envolve um pretzel elástico, que pode ser esticado, dobrado, ou torcido de qualquer forma; não importa a deformação, é impossível fazer um bagel com um pretzel ou fazer furos nele, sem rasgá-lo. O número de orifícios em um pretzel é, portanto, invariável e fornece informações topológicas sobre a forma do pretzel.

Em um material sólido, as leis da mecânica quântica restringem quais energias os elétrons podem ter, levando à formação de bandas com energias permitidas ou proibidas. Usando o conceito de topologia, os físicos podem descrever formas complexas de bandas de energia permitidas e atribuir a elas um número topológico específico. Uma topologia especial da estrutura de banda em um sistema de material se manifesta em propriedades exóticas que podem ser observadas - como a condutividade da superfície em isoladores topológicos.

"O aspecto mais notável da topologia é sua robustez:as propriedades induzidas pela topologia são protegidas por ela, "explica um dos dois principais autores do artigo Dr. Álvaro Jiménez-Galán da MBI. Da mesma forma que não podemos alterar o número de orifícios em um pretzel sem quebrá-lo, impurezas e outras perturbações que geralmente interrompem a capacidade do material de conduzir eletricidade não afetam a alta mobilidade de elétrons na superfície de isoladores topológicos. A imunidade às impurezas é a razão pela qual os materiais topológicos têm um forte apelo às indústrias eletrônicas.

Fazendo os elétrons "falarem" sobre topologia

Embora a topologia do sistema esteja profundamente ligada ao comportamento dos elétrons nele, a impressão das propriedades topológicas na dinâmica do elétron na escala de tempo de um milionésimo de um bilionésimo de um segundo não foi descoberta até agora. Usando simulações numéricas e análises teóricas, o grupo da MBI provou que as informações sobre a topologia do sistema são de fato codificadas nesta dinâmica eletrônica extremamente rápida e podem ser recuperadas olhando para a luz emitida pelos elétrons enquanto eles são excitados com luz laser. "Se imaginarmos os elétrons em um sólido movendo-se dentro de faixas de energia como corredores na pista de corrida, então nosso método permite aprender sobre a topologia desta pista de corrida, simplesmente medindo a aceleração dos corredores, "esclarece a Profa. Dra. Olga Smirnova, chefe de um grupo de Teoria MBI. Os pulsos de laser ultracurtos excitam os elétrons do sistema, fazendo-os pular de uma banda de energia para outra mais alta, acelerando-os no novo caminho. Os elétrons acelerados então emitem luz e rapidamente voltam para a posição inferior. Este processo dura apenas uma parte infinitesimal de um segundo, mas é o suficiente para um elétron "sentir" a diferença tênue entre as estruturas de energia de isoladores triviais e topológicos e "codificar" essa informação na luz emitida.

A caminho da eletrônica ultrarrápida de ondas de luz

O trabalho atual demonstra como distinguir entre isoladores triviais e topológicos em uma taxa ultra-rápida, em outras palavras, para "ler" as informações topológicas do sistema usando espectroscopia a laser. Para a próxima etapa, os pesquisadores do MBI planejam usar esse conhecimento para converter um isolante trivial em um topológico e vice-versa com luz laser - ou seja, "gravar" as informações topológicas em um material em uma taxa semelhante. A prova teórica desse efeito poderia antecipar a implementação de materiais topológicos em eletrônica opticamente controlada, onde apenas a velocidade de resposta eletrônica à luz define o limite para a velocidade de processamento da informação.