科学家观察到,当拓扑绝缘子中的电子突然反转其运动方向时,就会发出一种新的光发射。新的发现发表在即将出版的《自然》杂志上(“Tuneable non-integer high-harmonic generation in a topological insulator”)。


要改变大型物体(例如汽车)的运动方向,必须使其减速并首先使其完全停止。即使是宇宙中最微小的电荷载体,电子也遵循这一规则。


但是,对于未来的超快电子组件,规避电子的惯性将很有帮助。光子,表明了它是如何工作的。光子不携带质量,因此可以以可能的最高速度(光速)移动。


为了改变方向,他们不需要放慢脚步。例如,当它们从镜子反射时,它们会突然改变方向而没有中途停留。由于电流的方向可以无限快速地切换并且处理器的时钟速率可以大大提高,因此这种行为对于将来的电子产品来说是非常理想的。但是,光子不带电荷,这是电子设备的先决条件。


来自雷根斯堡大学,马尔堡大学和新西伯利亚俄罗斯科学院的一个国际物理学家联盟成功地将电子的运动翻转了超快的时标,却没有减慢它们的速度。


在他们的研究中,他们采用了拓扑绝缘子的新材料类别。电子在其表面上的行为就像无质量的粒子,几乎像光一样在运动。为了尽可能快地切换这些电子的运动方向,研究人员使用了振荡的载流子场来加速电子,这是人类可控的自然界中最快的交变场。


拓扑绝缘体中的光发射

物理学家成功让电子以最高速度转弯 观察到新型的发光

当拓扑绝缘子中的电子突然反转其运动方向时,科学家观察到一种新型的发光。图片:布拉德·巴克斯利(Brad Baxley)


当电子突然反转其运动方向时,它们会发出超短的闪光,其中包含像彩虹一样的宽带光谱。关于发射颜色的严格规定:通常,当电子通过光波加速时,仅发射辐射,其振荡频率是入射光频率的整数倍,即所谓的高次谐波辐射。


通过仔细调整加速光场,我们能够打破这一规则。该研究的第一作者克里斯托夫·施密德(Christoph Schmid)解释说,我们设法控制了电子的运动,从而可以产生各种可以想象的颜色的光。


在仔细分析发射的辐射后,科学家发现了电子的其他异常量子性质。显而易见的是,拓扑绝缘子表面上的电子不会跟随光电场沿直线移动,而是在整个固体中形成曲折的轨迹。

物理学家成功让电子以最高速度转弯 观察到新型的发光

即使对于理论家来说,如果您稍微靠近一点,就能看到量子力学会产生哪些现象,这一点非常令人着迷,Jan Wilhelm博士阐明了这一观点,他通过与同事一起开发的模拟成功地解释了实验结果。雷根斯堡大学理论物理研究所。


这些结果不仅为电子的微观量子性质提供了有趣的见解;他们还建议将拓扑绝缘体作为未来电子和信息处理的有前途的材料类别。在雷根斯堡(Regensburg)领导实验工作的鲁珀特·胡伯(Rupert Huber)教授总结道。


这样的期望完全符合德国科学基金会资助的SFB 1277合作研究中心的使命宣言。在这个网络中,实验和理论物理学家探索了凝聚态的新相对论效应,并测试了在未来的高科技应用中实现其发现的可能性。


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