Топологические изоляторы – крайне перспективный материал для электроники будущего. Ученые из Гельмгольцевского центра (Берлин) открыли, как менять физические свойства электронов в этих материалах с помощью света.
Характерная спиновая текстура (показана стрелками) в топологическом изоляторе (снизу) – и как циркулярно поляризованный свет или исследует ее (наверху), или меняет (посередине).
Открытые всего несколько лет назад топологические изоляторы обладают удивительными свойствами: внутри они диэлектрики, а на поверхности проводят электрический ток. Решающую роль здесь играет спин электронов (то есть, их собственный кинетический момент); вращение электронов непосредственно привязано к направлению их движения. Эта связка ведет не только к устойчивости металлических (проводящих) свойств, но и позволяет практически без потерь проводить электричество. Именно поэтому топологические изоляторы и считаются настолько привлекательными материалами для инновационных компьютерных приборов.
Один из новаторских подходов – это воздействие на спин электрона на поверхности таких устройств с помощью света. На источнике синхротронного излучения BESSY II профессор Оливер Радер (Oliver Rader) и его группа исследовали селенид висмута (Bi2Se3) методом фотоэмиссионной спектроскопии и пришли к поразительным выводам. Возбуждение электронов на поверхности материала циркулярно поляризованным светом в вакуумном ультрафиолете (50-70 электрон-вольт) и в ультрафиолетовой области спектра (6 эВ) дает радикально различающиеся результаты. «При возбуждении на 50 эВ, излучаемые электроны показали типичную для топологических изоляторов текстуру спина. Электроны на поверхности выстраиваются в форме круга, как на дорожном знаке кольцевой развязки», — объясняет проводивший эксперименты доктор Хаиме Санчес-Баррига (Jaime Sánchez-Barriga). Таково основное состояние электронов на поверхности топологических изоляторов.
А при возбуждении циркулярно поляризованными фотонами низкой энергии (6 эВ) спин электронов полностью «ушел» из области поверхности. Более того, частицы приняли спиновую ориентацию, навязанную поляризованным (направо или налево) светом. Таким образом, спином можно систематически манипулировать – в зависимости от типа используемого света. Ученые также объясняют такие различия в поведении электронов (при разных энергиях) свойствами симметрии.
«Результаты нашей работы многое говорят о том, как индуцировать в топологических изоляторах ток без потерь. Это имеет важное значение для так называемых оптоспинтронных устройств, которые фантастически увеличат скорость хранения и обработки информации», — объясняет профессор Радер.
Исследование представлено в журнале Physical Review X.
По материалам пресс-релиза Гельгольцевской ассоциации исследовательских центров.
Источник: А. Космарский nauka21vek.ru
