As leis da física quântica regem o microcosmo. Eles determinam, por exemplo, a facilidade com que os elétrons se movem através de um cristal e, portanto, se o material é um metal, um semicondutor ou isolante. A física quântica pode levar a propriedades exóticas em certos materiais:nos chamados isoladores topológicos, apenas os elétrons que podem ocupar alguns estados quânticos específicos são livres para se mover como partículas sem massa na superfície, enquanto esta mobilidade está completamente ausente para os elétrons na massa. O que mais, os elétrons de condução na "pele" do material são necessariamente polarizados por spin, e forma robusta, estados de superfície metálica que podem ser utilizados como canais nos quais impulsionar correntes de spin puras em escalas de tempo de femtossegundos (1 fs =10 ^-15 s).

Essas propriedades abrem oportunidades interessantes para desenvolver novas tecnologias de informação com base em materiais topológicos, como a spintrônica ultrarrápida, explorando o spin dos elétrons em suas superfícies ao invés da carga. Em particular, excitação óptica por pulsos de laser de femtossegundos nestes materiais representa uma alternativa promissora para realizar alta eficiência, transferência sem perdas de informações de rotação. Dispositivos spintrônicos que utilizam essas propriedades têm o potencial de um desempenho superior, pois permitiriam aumentar a velocidade do transporte de informações até frequências mil vezes mais rápidas do que na eletrônica moderna.

Contudo, muitas perguntas ainda precisam ser respondidas antes que os dispositivos spintrônicos possam ser desenvolvidos. Por exemplo, os detalhes de como exatamente os elétrons de massa e de superfície de um material topológico respondem ao estímulo externo, ou seja, o pulso de laser, e o grau de sobreposição em seus comportamentos coletivos em escalas de tempo ultracurtas.

Uma equipe liderada pelo físico do HZB, Dr. Jaime Sánchez-Barriga, agora trouxe novos insights sobre esses mecanismos. O time, que também estabeleceu um Grupo de Pesquisa Conjunta Helmholtz-RSF em colaboração com colegas da Lomonosov State University, Moscou, examinou cristais únicos de antimônio elementar (Sb), anteriormente sugerido ser um material topológico. “É uma boa estratégia estudar física interessante em um sistema simples, porque é aí que podemos esperar entender os princípios fundamentais, "Sánchez-Barriga explica." A verificação experimental da propriedade topológica deste material nos obrigou a observar diretamente sua estrutura eletrônica em um estado altamente excitado com o tempo, rodar, resoluções de energia e momentum, e, desta forma, acessamos uma dinâmica incomum de elétrons, "acrescenta Sánchez-Barriga.

O objetivo era compreender a rapidez com que os elétrons excitados na massa e na superfície do Sb reagem à entrada de energia externa, e explorar os mecanismos que governam sua resposta. "Ao controlar o atraso de tempo entre a excitação inicial do laser e o segundo pulso, que nos permite sondar a estrutura eletrônica, fomos capazes de construir um quadro resolvido em tempo integral de como os estados excitados saem e retornam ao equilíbrio em escalas de tempo ultrarrápidas. A combinação única de tempo e recursos resolvidos por spin também nos permitiu sondar diretamente a polarização de spin de estados excitados muito fora do equilíbrio ", diz o Dr. Oliver J. Clark.

Os dados mostram uma estrutura de 'torção' na dispersão de energia-momento ocupada transitoriamente de estados de superfície, o que pode ser interpretado como um aumento na massa efetiva do elétron. Os autores foram capazes de mostrar que este aumento de massa desempenha um papel decisivo na determinação da complexa interação nos comportamentos dinâmicos dos elétrons da massa e da superfície, também dependendo de sua rotação, seguindo a excitação óptica ultrarrápida.

"Nossa pesquisa revela quais propriedades essenciais desta classe de materiais são a chave para controlar sistematicamente as escalas de tempo relevantes nas quais correntes polarizadas de spin sem perdas poderiam ser geradas e manipuladas, "explica Sánchez-Barriga. São passos importantes no caminho para os dispositivos spintrônicos que, baseados em materiais topológicos, possuem funcionalidades avançadas para o processamento ultrarrápido da informação.