«Если эти вызванные лазером изменения можно снова обратить вспять, у нас, по сути, будет переключатель, который можно активировать оптически и который может переключаться между различными электронными состояниями», – пояснил Майкл Бауэр, профессор физики твердого тела в CAU. Такой процесс переключения уже был предсказан другим исследованием, в котором исследователи из США недавно смогли непосредственно наблюдать атомные движения в дителлуриде вольфрама.
В своем исследовании физики из Института экспериментальной и прикладной физики CAU сосредоточились на поведении электронов и на том, как можно изменить электронные свойства того же материала с помощью лазерных импульсов.
Полуметаллы Вейля с необычными электронными свойствами
"Некоторые электроны в дителлуриде вольфрама очень подвижны, поэтому они являются отличными носителями информации для электронных приложений. Это связано с тем, что они ведут себя как так называемые фермионы Вейля », – сказала доктор-исследователь Петра Хейн, объясняя необычные свойства материала, также известного как полуметалл Вейля.
Фермионы Вейля представляют собой безмассовые частицы со специальными свойствами и ранее только косвенно наблюдались как «квазичастицы» в твердых телах, таких как дителлурид вольфрама. «Впервые мы смогли сделать видимыми изменения в тех областях электронной структуры, в которых проявляются эти свойства Вейля."
Возбуждение материала изменяет его электронные свойства
Чтобы зафиксировать едва заметные изменения электронных свойств, требовались высокочувствительный экспериментальный план, чрезвычайно точные измерения и обширный анализ полученных данных. За последние годы исследовательская группа в Киле смогла разработать такой эксперимент с необходимой долгосрочной стабильностью.
С помощью генерируемых лазерных импульсов они переводят атомы внутри образца дителлурида вольфрама в состояние колебательного возбуждения. Возникли различные перекрывающиеся колебательные возбуждения, которые, в свою очередь, изменили электронные свойства материала. "Известно, что одно из этих атомных колебаний изменяет электронные свойства Вейля.
Мы хотели выяснить, как именно выглядит это изменение », – сказал Хайн, описывая одну из ключевых целей исследования.
Серия снимков показывает, как меняются свойства
Чтобы наблюдать этот конкретный процесс, группа исследователей облучила материал вторым лазерным импульсом через несколько пикосекунд.
Это высвободило электроны из образца, что позволило сделать выводы об электронной структуре материала – метод известен как «фотоэлектронная спектроскопия с временным разрешением."" Из-за короткого времени выдержки всего 0.1 пикосекунду получаем снимок электронного состояния материала. Мы можем объединить многие из этих отдельных изображений в пленку и, таким образом, наблюдать, как материал реагирует на возбуждение первым лазерным импульсом », – сказал д-р Стефан Яуэрник, объясняя метод измерения.
Запись одного набора данных в ходе чрезвычайно короткого процесса модификации обычно занимала одну неделю.
Исследовательская группа в Киле оценила большое количество таких наборов данных с использованием недавно разработанного аналитического подхода и, таким образом, смогла визуализировать изменения в электронных свойствах Вейля дителлурида вольфрама.
Возможны чрезвычайно короткие процессы переключения
«Наши результаты демонстрируют чувствительное и высокоселективное взаимодействие между колебаниями атомов твердого тела и необычными электронными свойствами дителлурида вольфрама», – резюмировал Бауэр.
Дальнейшие исследования направлены на выяснение того, могут ли такие процессы электронного переключения запускаться еще быстрее – непосредственно под воздействием облучающего лазерного импульса – как это уже было теоретически предсказано для других топологических материалов.