Las leyes de la física cuántica gobiernan el microcosmos. Ellos determinan, por ejemplo, con qué facilidad se mueven los electrones a través de un cristal y, por lo tanto, si el material es un metal, un semiconductor o un aislante. La física cuántica puede dar lugar a propiedades exóticas en ciertos materiales:en los llamados aislantes topológicos, solo los electrones que pueden ocupar algunos estados cuánticos específicos son libres de moverse como partículas sin masa en la superficie, mientras que esta movilidad está completamente ausente para los electrones en la masa. Y lo que es más, los electrones de conducción en la "piel" del material están necesariamente polarizados en espín, y forma robusta, estados de superficie metálica que podrían utilizarse como canales en los que impulsar corrientes de espín puras en escalas de tiempo de femtosegundos (1 fs =10 ^-15 s).

Estas propiedades abren oportunidades interesantes para desarrollar nuevas tecnologías de la información basadas en materiales topológicos, como la espintrónica ultrarrápida, explotando el giro de los electrones en sus superficies en lugar de la carga. En particular, La excitación óptica mediante pulsos de láser de femtosegundos en estos materiales representa una alternativa prometedora para realizar transferencia sin pérdidas de información de giro. Los dispositivos espintrónicos que utilizan estas propiedades tienen el potencial de un rendimiento superior, ya que permitirían incrementar la velocidad del transporte de información hasta frecuencias mil veces más rápido que en la electrónica moderna.

Sin embargo, Aún quedan muchas preguntas por responder antes de que se puedan desarrollar los dispositivos espintrónicos. Por ejemplo, los detalles de exactamente cómo los electrones de superficie y de volumen de un material topológico responden al estímulo externo, es decir, el pulso láser, y el grado de superposición de sus comportamientos colectivos en escalas de tiempo ultracortas.

Un equipo dirigido por el físico de HZB, el Dr. Jaime Sánchez-Barriga, ha aportado nuevos conocimientos sobre estos mecanismos. El equipo, que también ha establecido un Grupo de Investigación Conjunto Helmholtz-RSF en colaboración con colegas de la Universidad Estatal de Lomonosov, Moscú, examinó cristales únicos de antimonio elemental (Sb), sugerido previamente como material topológico. "Es una buena estrategia estudiar física interesante en un sistema simple, porque ahí es donde podemos esperar comprender los principios fundamentales, Sánchez-Barriga explica. “La verificación experimental de la propiedad topológica de este material nos obligó a observar directamente su estructura electrónica en un estado altamente excitado con el tiempo, girar, resoluciones de energía e impulso, y de esta manera accedimos a una dinámica electrónica inusual, ", añade Sánchez-Barriga.

El objetivo era comprender qué tan rápido reaccionan los electrones excitados en la masa y en la superficie de Sb a la entrada de energía externa, y explorar los mecanismos que gobiernan su respuesta. "Al controlar el retardo de tiempo entre la excitación inicial del láser y el segundo pulso que nos permite sondear la estructura electrónica, pudimos construir una imagen resuelta en tiempo completo de cómo los estados excitados se van y regresan al equilibrio en escalas de tiempo ultrarrápidas. La combinación única de tiempo y capacidades de resolución de espín también nos permitió sondear directamente la polarización de espín de estados excitados fuera de equilibrio ", dice el Dr. Oliver J. Clark.

Los datos muestran una estructura 'retorcida' en la dispersión de energía-momento ocupada transitoriamente de los estados de superficie, que se puede interpretar como un aumento en la masa efectiva de electrones. Los autores pudieron demostrar que esta mejora de masa juega un papel decisivo en la determinación de la interacción compleja en los comportamientos dinámicos de los electrones de la masa y la superficie. también dependiendo de su giro, siguiendo la excitación óptica ultrarrápida.

"Nuestra investigación revela qué propiedades esenciales de esta clase de materiales son la clave para controlar sistemáticamente las escalas de tiempo relevantes en las que se podrían generar y manipular corrientes polarizadas de espín sin pérdidas, “explica Sánchez-Barriga. Son pasos importantes en el camino hacia los dispositivos espintrónicos que, basados ​​en materiales topológicos, poseen funcionalidades avanzadas para el procesamiento ultrarrápido de la información.