Ученые наблюдают новый вид излучения света, когда электроны в топологических изоляторах резко меняют направление своего движения. О новых открытиях сообщается в журнале «Nature».

Чтобы изменить направление движения массивного объекта, например, автомобиля, его необходимо сначала замедлить и полностью остановить. Даже самые крошечные носители заряда во Вселенной, электроны, следуют этому правилу. Однако для будущих сверхбыстрых электронных компонентов было бы полезно обойти инерцию электронов. Фотоны, кванты света, показывают, как это может работать. Фотоны не несут массы и поэтому могут двигаться с максимально возможной скоростью — скоростью света. Для смены направления им не нужно сбавлять скорость; например, когда они отражаются от зеркала, они резко меняют свое направление без остановки. Такое поведение очень желательно для будущей электроники, потому что направление токов может переключаться бесконечно быстро, а тактовая частота процессоров может быть значительно увеличена.

Международному консорциуму физиков из Университета Регенсбурга, Университета Марбурга и Российской академии наук в Новосибирске удалось изменить движение электронов в сверхбыстрых временных масштабах, не замедляя их. В своем исследовании они использовали новый класс материалов топологических изоляторов. На своей поверхности электроны ведут себя как безмассовые частицы, движущиеся почти как свет. Чтобы изменить направление движения этих электронов как можно быстрее, исследователи ускорили электроны с помощью колеблющегося несущего поля света — самого быстрого переменного поля в природе, управляемого человечеством.

Когда электроны резко меняют направление своего движения, они испускают ультракороткую вспышку света, содержащую широкий спектр цветов, как в радуге. Существуют строгие правила, по которым испускаются цвета: обычно, когда электроны ускоряются световыми волнами, испускается только излучение, частота колебаний которого является целым числом, кратным частоте падающего света, так называемое гармоническое излучение высокого порядка.

«Тщательно отрегулировав ускоряющее световое поле, мы смогли нарушить это правило. Нам удалось управлять движением электронов так, чтобы можно было генерировать свет любого мыслимого цвета», — объясняет Кристоф Шмид, первый автор исследования.

При тщательном анализе испускаемого излучения ученые обнаружили необычные квантовые свойства электронов. Стало очевидно, что электроны на поверхности топологического изолятора движутся не по прямым линиям вслед за электрическим полем света, а, скорее, по извилистым траекториям через твердое тело.

«Даже для теоретика очень интересно увидеть, какие явления может создавать квантовая механика, если только присмотреться», — поясняет докторр Ян Вильгельм, который успешно объяснил экспериментальные результаты с помощью моделирования, которое он разработал вместе со своими коллегами из лаборатории Института теоретической физики Регенсбургского университета.

«Эти результаты не только дают интригующее понимание микроскопической квантовой природы электронов; они также предлагают топологические изоляторы в качестве многообещающего класса материалов для будущей электроники и обработки информации», — резюмирует профессор д-р Руперт Хубер, руководивший экспериментальной работой в Регенсбурге.

Такие ожидания полностью соответствуют заявлению о миссии Центра совместных исследований SFB 1277, финансируемого Немецким научным фондом. В рамках этой сети физики-экспериментаторы и физики-теоретики исследуют новые релятивистские эффекты в конденсированных средах и проверяют возможности применения своих результатов в будущих высокотехнологичных приложениях.