Para mudar a direção do movimento de um objeto massivo, como um carro, tem de ser abrandado e primeiro parado por completo. Mesmo os menores portadores de carga do universo, os elétrons, siga esta regra. Para futuros componentes eletrônicos ultrarrápidos, Contudo, seria útil contornar a inércia do elétron. Fótons, os quanta de luz, mostre como isso poderia funcionar. Os fótons não carregam massa e podem, portanto, se mover na maior velocidade possível, A velocidade da luz. Para uma mudança de direção, eles não precisam diminuir a velocidade; quando eles são refletidos de um espelho, por exemplo, eles mudam abruptamente de direção sem uma parada. Tal comportamento é altamente desejável para a eletrônica do futuro porque a direção das correntes poderia ser alternada infinitamente rapidamente e a taxa de clock dos processadores poderia ser aumentada maciçamente. Ainda, fótons não carregam carga elétrica, que é um pré-requisito para dispositivos eletrônicos.

Um consórcio internacional de físicos da Universidade de Regensburg, a Universidade de Marburg, e a Academia Russa de Ciências em Novosibirsk conseguiu inverter o movimento dos elétrons em escalas de tempo ultrarrápidas sem diminuí-los. Em seu estudo, eles empregaram a nova classe de materiais de isolantes topológicos. Em suas superfícies, elétrons se comportam como partículas sem massa movendo-se quase como luz. Para mudar a direção do movimento desses elétrons o mais rápido possível, os pesquisadores aceleraram os elétrons com o campo portador oscilante da luz - o campo alternado mais rápido da natureza controlável pela humanidade.

Quando os elétrons invertem abruptamente sua direção de movimento, eles emitem um flash ultracurto de luz contendo um espectro de cores de banda larga, como em um arco-íris. Existem regras estritas sobre as cores que são emitidas:Geralmente, quando os elétrons são acelerados por ondas de luz, apenas a radiação é emitida, cuja frequência de oscilação é um múltiplo inteiro da frequência da luz incidente, a chamada radiação harmônica de alta ordem. "Ajustando cuidadosamente o campo de luz em aceleração, fomos capazes de quebrar essa regra. Conseguimos controlar o movimento dos elétrons de forma que a luz de todas as cores imagináveis ​​pudesse ser gerada, "explica Christoph Schmid, primeiro autor do estudo.

Em uma análise cuidadosa da radiação emitida, os cientistas descobriram outras propriedades quânticas incomuns dos elétrons. Tornou-se aparente que os elétrons na superfície de um isolante topológico não se movem em linhas retas seguindo o campo elétrico da luz, mas sim realizam trajetórias sinuosas através do sólido. "Mesmo para um teórico, é altamente fascinante ver quais fenômenos a mecânica quântica pode produzir se você apenas olhar um pouco mais de perto, "elucida o Dr. Jan Wilhelm, que explicou com sucesso as descobertas experimentais com uma simulação que ele desenvolveu junto com seus colegas do Instituto de Física Teórica da Universidade de Regensburg.

"Esses resultados não fornecem apenas insights intrigantes sobre a natureza quântica microscópica dos elétrons; eles também sugerem isoladores topológicos como uma classe de material promissora para a eletrônica futura e processamento de informações, "resume o Prof. Dr. Rupert Huber, que liderou o trabalho experimental em Regensburg. Tais expectativas seguem perfeitamente a declaração de missão do Collaborative Research Center SFB 1277, financiado pela Fundação Alemã de Ciência. Dentro desta rede, físicos experimentais e teóricos exploram novos efeitos relativísticos na matéria condensada e testam possibilidades para implementar suas descobertas em futuras aplicações de alta tecnologia.

As novas descobertas são relatadas na próxima edição da Natureza .