Materiales topológicos como ditelurida de tungsteno, aquí una muestra en una cámara de vacío ultra alto, tienen propiedades electrónicas especiales y son muy robustos frente a perturbaciones externas. Crédito:AG Bauer
En física, actualmente son objeto de una intensa investigación; en electrónica, podrían habilitar funciones completamente nuevas. Los llamados materiales topológicos se caracterizan por propiedades electrónicas especiales, que también son muy robustos frente a perturbaciones externas. Este grupo de materiales también incluye ditelurida de tungsteno. En este material, tal estado protegido topológicamente se puede "romper" usando pulsos de láser especiales en unas pocas billonésimas de segundo ("picosegundos") y así cambiar sus propiedades. Este podría ser un requisito clave para lograr resultados extremadamente rápidos interruptores optoelectrónicos.
Por primera vez, físicos de la Universidad de Kiel (CAU), en cooperación con investigadores del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos (MPI-CPfS) en Dresde, Universidad de Tsinghua en Beijing y Universidad Tecnológica de Shanghai, han podido observar cambios en las propiedades electrónicas de este material en experimentos en tiempo real. Usando pulsos de láser, ponen los átomos en una muestra de ditelururo de tungsteno en un estado de excitación controlada, y pudieron seguir los cambios resultantes en las propiedades electrónicas "en vivo" con mediciones de alta precisión. Publicaron sus resultados recientemente en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza .
Semimetales de Weyl con propiedades electrónicas inusuales
"Si estos cambios inducidos por láser pueden revertirse nuevamente, básicamente tenemos un interruptor que se puede activar ópticamente, y que puede cambiar entre diferentes estados electrónicos, "explicó Michael Bauer, profesor de física del estado sólido en la CAU. Este proceso de cambio ya ha sido predicho por otro estudio, en el que investigadores de los EE. UU. pudieron observar directamente los movimientos atómicos en la ditelurida de tungsteno. En su estudio, los físicos del Instituto de Física Experimental y Aplicada del CAU ahora se centraron en el comportamiento de los electrones, y cómo se pueden alterar las propiedades electrónicas del mismo material mediante pulsos de láser.
"Algunos de los electrones de la ditelurida de tungsteno son muy móviles, por lo que son excelentes portadores de información para aplicaciones electrónicas. Esto se debe al hecho de que se comportan como los llamados fermiones de Weyl, ", dijo la investigadora doctoral Petra Hein para explicar las propiedades inusuales del material, también conocido como semimetal Weyl. Los fermiones de Weyl son partículas sin masa con propiedades especiales y anteriormente solo se habían observado indirectamente como "cuasi-partículas" en sólidos como la ditelurida de tungsteno. "Por primera vez, ahora pudimos hacer visibles los cambios en las áreas de la estructura electrónica, en el que se exhiben estas propiedades de Weyl ".
Para registrar cambios apenas visibles en las propiedades electrónicas de la ditelurida de tungsteno, se requiere una configuración experimental altamente sensible, que el equipo de investigación de Kiel ha desarrollado durante los últimos años. Crédito:AG Bauer
Las excitaciones del material cambian sus propiedades electrónicas.
Para capturar los cambios apenas visibles en las propiedades electrónicas, un diseño experimental altamente sensible, Se requirieron mediciones extremadamente precisas y un análisis extenso de los datos obtenidos. Durante los últimos años, el equipo de investigación de Kiel pudo desarrollar un experimento de este tipo con la necesaria estabilidad a largo plazo. Con los pulsos de láser generados, pusieron los átomos dentro de una muestra de ditelururo de tungsteno en un estado de excitación vibratoria. Surgieron diferentes excitaciones vibratorias superpuestas, lo que a su vez cambió las propiedades electrónicas del material. "Se sabía que una de estas vibraciones atómicas cambiaba las propiedades electrónicas de Weyl. Queríamos averiguar exactamente cómo se ve este cambio, ", dijo Hein para describir uno de los objetivos clave del estudio.
Una serie de instantáneas muestra cómo cambian las propiedades
Para observar este proceso específico, el equipo de investigación irradió el material con un segundo pulso láser después de unos pocos picosegundos. Esto liberó electrones de la muestra, lo que permitió sacar conclusiones sobre la estructura electrónica del material; el método se conoce como "espectroscopía fotoelectrónica de resolución temporal". "Debido al breve tiempo de exposición de solo 0,1 picosegundos, obtenemos una instantánea del estado electrónico del material. Podemos combinar muchas de estas imágenes individuales en una película y así observar cómo reacciona el material a la excitación del primer pulso láser, ", dijo el Dr. Stephan Jauernik para explicar el método de medición.
El registro de un solo conjunto de datos en el proceso de modificación extremadamente corto generalmente tomaba una semana. El equipo de investigación de Kiel evaluó una gran cantidad de estos conjuntos de datos utilizando un enfoque analítico desarrollado recientemente y, por lo tanto, pudo visualizar los cambios en las propiedades electrónicas Weyl de la ditelurida de tungsteno.
La estudiante de doctorado en física Petra Hein y el Dr. Stephan Jauernik utilizaron pulsos de láser ultracortos para tomar una serie de instantáneas que muestran cómo cambian las propiedades en el material. Crédito:AG Bauer
Se pueden concebir procesos de conmutación extremadamente cortos
"Nuestros resultados demuestran la interacción sensible y altamente selectiva entre las vibraciones de los átomos del sólido y las inusuales propiedades electrónicas de la ditelurida de tungsteno, "resumió Bauer. La investigación de seguimiento tiene como objetivo investigar si tales procesos de conmutación electrónica pueden activarse aún más rápido, directamente por el pulso de láser irradiante, como ya se ha predicho teóricamente para otros materiales topológicos.
