10.07.2020 - Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU)

Excitación de materiales robustos

El equipo de física de Kiel observó cambios electrónicos extremadamente rápidos en tiempo real en una clase especial de material

En la física, son actualmente objeto de intensas investigaciones; en la electrónica, podrían permitir funciones completamente nuevas. Los llamados materiales topológicos se caracterizan por sus propiedades electrónicas especiales, que también son muy robustas contra las perturbaciones externas. En este grupo de materiales también se incluye el ditelururo de tungsteno. En este material, un estado tan protegido topológicamente puede "romperse" mediante pulsos de láser especiales en unas pocas billonésimas de segundo ("picosegundos") y así cambiar sus propiedades. Esto podría ser un requisito clave para realizar interruptores optoelectrónicos extremadamente rápidos. Por primera vez, los físicos de la Universidad de Kiel (CAU), en cooperación con investigadores del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos (MPI-CPfS) de Dresde, la Universidad Tsinghua de Beijing y la Universidad Tecnológica de Shanghai, han podido observar los cambios en las propiedades electrónicas de este material en experimentos en tiempo real. Utilizando pulsos de láser, pusieron los átomos de una muestra de ditelururo de tungsteno en un estado de excitación controlada, y pudieron seguir "en vivo" los cambios resultantes en las propiedades electrónicas con mediciones de alta precisión. Publicaron sus resultados recientemente en la revista científica Nature Communications.

"Si estos cambios inducidos por el láser pueden ser revertidos de nuevo, tenemos esencialmente un interruptor que puede ser activado ópticamente, y que puede cambiar entre los diferentes estados electrónicos", explicó Michael Bauer, profesor de física del estado sólido en la CAU. Tal proceso de cambio ya ha sido predicho por otro estudio, en el cual investigadores de los Estados Unidos pudieron recientemente observar directamente los movimientos atómicos en el ditelururo de tungsteno. En su estudio, los físicos del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la CAU se centraron ahora en el comportamiento de los electrones, y en cómo las propiedades electrónicas en el mismo material pueden ser alteradas utilizando pulsos de láser.

Semimetales de Weyl con propiedades electrónicas inusuales

"Algunos de los electrones del ditelururo 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 inusuales propiedades del material, también conocido como semimetal de Weyl. Los fermiones de Weyl son partículas sin masa con propiedades especiales y anteriormente sólo se habían observado indirectamente como "cuasipartículas" en sólidos como el ditelururo de tungsteno. "Por primera vez, fuimos capaces de hacer visibles los cambios en las áreas de la estructura electrónica en las que se exhiben estas propiedades de Weyl".

Las excitaciones del material cambian sus propiedades electrónicas

Para captar los cambios apenas visibles en las propiedades electrónicas se requirió un diseño experimental altamente sensible, mediciones extremadamente precisas y un análisis extenso de los datos obtenidos. Durante los últimos años el equipo de investigación de Kiel fue capaz de desarrollar tal experimento con la estabilidad necesaria 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, que a su vez cambiaron las propiedades electrónicas del material. "Se sabía que una de estas vibraciones atómicas cambiaba las propiedades electrónicas de Weyl. Queríamos saber exactamente cómo se veía este cambio", dijo Hein para describir uno de los objetivos clave del estudio.

La serie de instantáneas muestra cómo cambian las propiedades

Para observar este proceso específico, el equipo de investigación irradió el material con un segundo pulso de láser después de unos picosegundos. Esto liberó electrones de la muestra, lo que permitió sacar conclusiones sobre la estructura electrónica del material - el método se conoce como "espectroscopia fotoelectrónica de resolución temporal". "Debido al corto tiempo de exposición de sólo 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 el material reacciona a la excitación por el primer pulso de láser", dijo el Dr. Stephan Jauernik para explicar el método de medición.

La grabación de un solo conjunto de datos en el extremadamente corto proceso de modificación típicamente tomó una semana. El equipo de investigación de Kiel evaluó un gran número de esos conjuntos de datos utilizando un enfoque analítico recientemente desarrollado y así pudo visualizar los cambios en las propiedades electrónicas Weyl del ditelururo de tungsteno.

Los procesos de conmutación extremadamente cortos concebibles

"Nuestros resultados demuestran la sensible y altamente selectiva interacción entre las vibraciones de los átomos del sólido y las inusuales propiedades electrónicas del ditellurido de tungsteno", resumió Bauer. La investigación complementaria tiene por objeto investigar si esos procesos de conmutación electrónica pueden activarse aún más rápidamente - directamente por el pulso de láser irradiado - como ya se ha predicho teóricamente para otros materiales topológicos.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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