Эти свойства открывают захватывающие возможности для разработки новых информационных технологий на основе топологических материалов, таких как сверхбыстрая спинтроника, за счет использования спина электронов на их поверхности, а не заряда. В частности, оптическое возбуждение фемтосекундными лазерными импульсами в этих материалах представляет собой многообещающую альтернативу для реализации высокоэффективной передачи спиновой информации без потерь. Устройства Spintronic, использующие эти свойства, обладают потенциалом превосходных характеристик, поскольку они позволят увеличить скорость передачи информации до частот в тысячу раз быстрее, чем в современной электронике.
Тем не менее, прежде чем можно будет разработать устройства спинтроники, необходимо ответить на многие вопросы. Например, подробности того, как именно объемные и поверхностные электроны топологического материала реагируют на внешний стимул i.е., лазерный импульс и степень совпадения их коллективного поведения в ультракоротких временных масштабах.
Команда под руководством физика HZB д-ра.
Хайме Санчес-Баррига теперь по-новому взглянул на такие механизмы. Команда, которая также создала Совместную исследовательскую группу Гельмгольца-RSF в сотрудничестве с коллегами из Государственного университета им.
М. В. Ломоносова, Москва, исследовала монокристаллы элементарной сурьмы (Sb), ранее предложенные в качестве топологического материала. «Это хорошая стратегия – изучать интересную физику в простой системе, потому что именно там мы можем надеяться понять фундаментальные принципы», – объясняет Санчес-Баррига. «Экспериментальная проверка топологических свойств этого материала потребовала от нас непосредственного наблюдения за его электронной структурой в высоковозбужденном состоянии с разрешением по времени, спину, энергии и импульсу, и таким образом мы получили доступ к необычной динамике электронов», – добавляет Санчес-Баррига.
Цель состояла в том, чтобы понять, как быстро возбужденные электроны в объеме и на поверхности Sb реагируют на поступление внешней энергии, и изучить механизмы, определяющие их реакцию. "Контролируя временную задержку между начальным лазерным возбуждением и вторым импульсом, которая позволяет нам исследовать электронную структуру, мы смогли создать полную временную картину того, как возбужденные состояния покидают и возвращаются в равновесие в сверхбыстрых временных масштабах. Уникальная комбинация времени и возможностей спинового разрешения также позволила нам напрямую исследовать спиновую поляризацию возбужденных состояний, далеко не находящихся в равновесии », – говорит д-р. Оливер Дж.
Кларк.
Данные демонстрируют "изломанную" структуру в временно занятой энергийно-импульсной дисперсии поверхностных состояний, которую можно интерпретировать как увеличение эффективной массы электрона. Авторам удалось показать, что это увеличение массы играет решающую роль в определении сложного взаимодействия в динамическом поведении электронов из объема и поверхности, также в зависимости от их спина, после сверхбыстрого оптического возбуждения.
«Наше исследование показывает, какие существенные свойства этого класса материалов являются ключом к систематическому контролю соответствующих временных масштабов, в которых могут генерироваться и управляться спин-поляризованные токи без потерь», – объясняет Санчес-Баррига.
Это важные шаги на пути к устройствам спинтроники, основанным на топологических материалах и обладающим расширенными функциональными возможностями для сверхбыстрой обработки информации.