Materiais topológicos, como ditelureto de tungstênio, aqui uma amostra em uma câmara de ultra-alto vácuo, têm propriedades eletrônicas especiais e são muito robustos contra perturbações externas. Crédito:AG Bauer
Na física, eles são atualmente objeto de pesquisa intensiva; em eletronica, eles poderiam habilitar funções completamente novas. Os chamados materiais topológicos são caracterizados por propriedades eletrônicas especiais, que também são muito robustos contra perturbações externas. Este grupo de materiais também inclui ditelureto de tungstênio. Neste material, tal estado topologicamente protegido pode ser "quebrado" usando pulsos de laser especiais dentro de alguns trilionésimos de segundo ("picossegundos") e, assim, alterar suas propriedades. Este pode ser um requisito fundamental para obter resultados extremamente rápidos, interruptores optoeletrônicos.
Pela primeira vez, físicos da Kiel University (CAU), em cooperação com pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos (MPI-CPfS) em Dresden, Tsinghua University em Pequim e Shanghai Tech University, puderam observar mudanças nas propriedades eletrônicas deste material em experimentos em tempo real. Usando pulsos de laser, eles colocam os átomos em uma amostra de ditelureto de tungstênio em um estado de excitação controlada, e foram capazes de acompanhar as mudanças resultantes nas propriedades eletrônicas "ao vivo" com medições de alta precisão. Eles publicaram seus resultados recentemente na revista científica Nature Communications .
Semimetais de Weyl com propriedades eletrônicas incomuns
"Se essas mudanças induzidas por laser puderem ser revertidas novamente, temos essencialmente um interruptor que pode ser ativado opticamente, e que pode mudar entre diferentes estados eletrônicos, "explicou Michael Bauer, professor de física do estado sólido do CAU. Esse processo de mudança já foi previsto por outro estudo, em que pesquisadores dos EUA puderam recentemente observar diretamente os movimentos atômicos no ditelureto de tungstênio. Em seu estudo, os físicos do Instituto de Física Experimental e Aplicada do CAU agora se concentraram no comportamento dos elétrons, e como as propriedades eletrônicas no mesmo material podem ser alteradas usando pulsos de laser.
"Alguns dos elétrons do ditelureto de tungstênio são altamente móveis, portanto, são excelentes portadores de informações para aplicações eletrônicas. Isso se deve ao fato de que eles se comportam como os chamados férmions de Weyl, "disse a pesquisadora de doutorado Petra Hein para explicar as propriedades incomuns do material, também conhecido como semimetal Weyl. Os férmions de Weyl são partículas sem massa com propriedades especiais e antes só foram observados indiretamente como "quase-partículas" em sólidos como o ditelureto de tungstênio. "Pela primeira vez, agora fomos capazes de fazer as mudanças nas áreas da estrutura eletrônica visíveis, em que essas propriedades Weyl são exibidas. "
A fim de registrar mudanças quase imperceptíveis nas propriedades eletrônicas do ditelureto de tungstênio, uma configuração experimental altamente sensível é necessária, que a equipe de pesquisa de Kiel desenvolveu nos últimos anos. Crédito:AG Bauer
Excitações do material mudam suas propriedades eletrônicas
Para capturar as mudanças quase invisíveis nas propriedades eletrônicas, um projeto experimental altamente sensível, eram necessárias medições extremamente precisas e uma extensa análise dos dados obtidos. Durante os últimos anos, a equipe de pesquisa de Kiel foi capaz de desenvolver tal experimento com a estabilidade de longo prazo necessária. Com os pulsos de laser gerados, eles colocaram os átomos dentro de uma amostra de ditelureto de tungstênio em um estado de excitação vibracional. Diferentes excitações vibracionais sobrepostas surgiram, que por sua vez mudou as propriedades eletrônicas do material. "Uma dessas vibrações atômicas era conhecida por alterar as propriedades eletrônicas de Weyl. Queríamos descobrir exatamente como é essa mudança, "disse Hein para descrever um dos principais objetivos do estudo.
Série de instantâneos mostra como as propriedades mudam
Para observar este processo específico, a equipe de pesquisa irradiou o material com um segundo pulso de laser após alguns picossegundos. Isso liberou elétrons da amostra, o que permitiu tirar conclusões sobre a estrutura eletrônica do material - o método é conhecido como "espectroscopia de fotoelétrons resolvida no tempo". "Devido ao curto tempo de exposição de apenas 0,1 picossegundos, obtemos um instantâneo do estado eletrônico do material. Podemos combinar muitas dessas imagens individuais em um filme e, assim, observar como o material reage à excitação pelo primeiro pulso de laser, "disse o Dr. Stephan Jauernik para explicar o método de medição.
A gravação de um único conjunto de dados no processo de modificação extremamente curto normalmente levava uma semana. A equipe de pesquisa de Kiel avaliou um grande número de tais conjuntos de dados usando uma abordagem analítica recentemente desenvolvida e, portanto, foi capaz de visualizar as mudanças nas propriedades eletrônicas de Weyl do ditelureto de tungstênio.
A estudante de doutorado em física Petra Hein e o Dr. Stephan Jauernik usaram pulsos de laser ultracurtos para tirar uma série de instantâneos que mostram como as propriedades mudam no material. Crédito:AG Bauer
Processos de comutação extremamente curtos concebíveis
"Nossos resultados demonstram a interação sensível e altamente seletiva entre as vibrações dos átomos do sólido e as propriedades eletrônicas incomuns do ditelureto de tungstênio, "resumiu Bauer. A pesquisa de acompanhamento visa investigar se tais processos de comutação eletrônicos podem ser acionados ainda mais rápido - diretamente pelo pulso de laser irradiado - como já foi teoricamente previsto para outros materiais topológicos.
