Los aislantes topológicos son materiales cuánticos, cuales, debido a su exótica estructura electrónica, en superficies y bordes conducen la corriente eléctrica como el metal, mientras actúa como aislante a granel. Científicos del Instituto Max-Born de Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto (MBI) han demostrado por primera vez cómo diferenciar los materiales topológicos de sus homólogos regulares, triviales, en una millonésima de mil millonésima de segundo, sondeándolos con ultra -Rápida luz láser. Su método podría abrir el camino para que dichos materiales se utilicen como elementos lógicos en dispositivos electrónicos controlados por luz capaces de procesar información decenas de miles de veces más rápido que en la actualidad. Su estudio apareció en Fotónica de la naturaleza .

La ilustración más común del concepto de topología involucra un pretzel elástico, que se puede estirar, doblado, o retorcido de alguna manera; no importa la deformación, es imposible hacer un panecillo con un pretzel o agregarle agujeros, sin romperlo. Por tanto, el número de agujeros en un pretzel es invariable y proporciona información topológica sobre la forma del pretzel.

En un material sólido, Las leyes de la mecánica cuántica restringen qué energías pueden tener los electrones, conduciendo a la formación de bandas con energías permitidas o prohibidas. Usando el concepto de topología, los físicos pueden describir formas complejas de bandas de energía permitidas y asignarles un número topológico específico. Una topología especial de la estructura de la banda en un sistema de materiales se manifiesta en propiedades exóticas que se pueden observar, como la conductividad superficial en los aislantes topológicos.

"El aspecto más notable de la topología es su robustez:las propiedades inducidas por la topología están protegidas por ella, "explica uno de los dos autores principales del artículo Dr. Álvaro Jiménez-Galán de MBI. De la misma forma que no podemos cambiar el número de agujeros en un pretzel sin romperlo, Las impurezas y otras perturbaciones que normalmente interrumpen la capacidad del material para conducir la electricidad no afectan la alta movilidad de los electrones en la superficie de los aislantes topológicos. La inmunidad a las impurezas es la razón por la que los materiales topológicos atraen fuertemente a las industrias electrónicas.

Hacer que los electrones "hablen" sobre topología

Aunque la topología del sistema está profundamente ligada al comportamiento de los electrones en él, la huella de las propiedades topológicas en la dinámica de los electrones en la escala de tiempo de una millonésima de mil millonésima de segundo no se ha descubierto hasta ahora. Mediante el uso de simulaciones numéricas y análisis teóricos, El grupo de MBI ha demostrado que la información sobre la topología del sistema está codificada en esta dinámica de electrones extremadamente rápida y puede recuperarse observando la luz emitida por los electrones cuando se excitan con la luz láser. "Si imaginamos los electrones en un sólido moviéndose dentro de bandas de energía como corredores en la pista de carreras, entonces nuestro método permite conocer la topología de esta pista de carreras, simplemente midiendo la aceleración de los corredores, "aclara la Prof. Dra. Olga Smirnova, jefe de un grupo de teoría de MBI. Los pulsos de láser ultracortos excitan los electrones del sistema, haciéndolos saltar de una banda de energía a una más alta, acelerándolos en la nueva pista. Los electrones acelerados luego emiten luz y rápidamente vuelven a la posición inferior. Este proceso dura simplemente una parte infinitesimal de un segundo, pero es suficiente para que un electrón "sienta" la fina diferencia entre las estructuras de energía de los aislantes triviales y topológicos y "codifique" esta información en la luz emitida.

En camino hacia la electrónica ultrarrápida de ondas de luz

El trabajo actual demuestra cómo distinguir entre aisladores triviales y topológicos a una velocidad ultrarrápida, en otras palabras, para "leer" la información topológica del sistema mediante espectroscopia láser. Para el siguiente paso, Los investigadores de MBI planean utilizar este conocimiento para convertir un aislante trivial en topológico y viceversa con luz láser, es decir, "escribir" la información topológica en un material a una velocidad similar. La prueba teórica de este efecto podría adelantar la implementación de materiales topológicos en electrónica de control óptico, donde solo la velocidad de la respuesta electrónica a la luz define el límite para la velocidad de procesamiento de la información.