Para cambiar la dirección del movimiento de un objeto masivo, como un coche, primero hay que reducir la velocidad y detenerla por completo. Incluso los portadores de carga más pequeños del universo, los electrones, Sigue esta regla. Para futuros componentes electrónicos ultrarrápidos, sin embargo, Sería útil sortear la inercia del electrón. Fotones, los cuantos de luz, muestre cómo podría funcionar esto. Los fotones no transportan masa y, por lo tanto, pueden moverse a la mayor velocidad posible, la velocidad de la luz. Por un cambio de dirección no necesitan reducir la velocidad; cuando se reflejan en un espejo, por ejemplo, cambian bruscamente de dirección sin hacer escala. Tal comportamiento es muy deseable para la electrónica futura porque la dirección de las corrientes podría cambiarse infinitamente rápido y la frecuencia de reloj de los procesadores podría incrementarse enormemente. Todavía, los fotones no llevan carga eléctrica, que es un requisito previo para los dispositivos electrónicos.

Un consorcio internacional de físicos de la Universidad de Regensburg, la Universidad de Marburg, y la Academia de Ciencias de Rusia en Novosibirsk logró invertir el movimiento de los electrones en escalas de tiempo ultrarrápidas sin ralentizarlos. En su estudio, emplearon la nueva clase de material de aisladores topológicos. En sus superficies, los electrones se comportan como partículas sin masa que se mueven casi como luz. Para cambiar la dirección del movimiento de esos electrones lo más rápido posible, los investigadores aceleraron los electrones con el campo portador oscilante de luz, el campo alterno más rápido de la naturaleza controlable por la humanidad.

Cuando los electrones invierten abruptamente su dirección de movimiento, emiten un destello de luz ultracorto que contiene un espectro de colores de banda ancha como en un arco iris. Existen reglas estrictas sobre qué colores se emiten:Generalmente, cuando los electrones son acelerados por ondas de luz, solo se emite radiación, cuya frecuencia de oscilación es un múltiplo entero de la frecuencia de la luz incidente, la denominada radiación armónica de alto orden. "Al ajustar cuidadosamente el campo de luz acelerado, pudimos romper esta regla. Logramos controlar el movimiento de los electrones de modo que se pudiera generar luz de todos los colores imaginables, "explica Christoph Schmid, primer autor del estudio.

En un análisis cuidadoso de la radiación emitida, los científicos encontraron otras propiedades cuánticas inusuales de los electrones. Se hizo evidente que los electrones en la superficie de un aislante topológico no se mueven en línea recta siguiendo el campo eléctrico de luz, sino que realizan trayectorias serpenteantes a través del sólido. "Incluso para un teórico, es muy fascinante ver qué fenómenos puede producir la mecánica cuántica si se mira un poco más de cerca, "aclara el Dr. Jan Wilhelm, quien explicó con éxito los hallazgos experimentales con una simulación que desarrolló junto con sus colegas en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Regensburg.

"Estos resultados no solo proporcionan información intrigante sobre la naturaleza cuántica microscópica de los electrones; también sugieren que los aislantes topológicos son una clase de material prometedora para la electrónica futura y el procesamiento de la información". "resume el Prof. Dr. Rupert Huber, quien dirigió el trabajo experimental en Ratisbona. Tales expectativas siguen perfectamente la declaración de misión del Collaborative Research Center SFB 1277, financiado por la German Science Foundation. Dentro de esta red, Los físicos experimentales y teóricos exploran nuevos efectos relativistas en materia condensada y prueban posibilidades para implementar sus hallazgos en futuras aplicaciones de alta tecnología.

Los nuevos hallazgos se informan en la próxima edición de Naturaleza .