Учени доказаха, че светлината може да променя състоянието на материята

Физици за първи път наблюдаваха директно как светлината за част от секундата превръща обикновен полупроводник в топологичен материал. Кристалът от оловен телурид започна да провежда ток по повърхността си, въпреки че атомният му състав и структура останаха непроменени. Ефектът, предсказан преди повече от 10 години беше успешно фиксиран с помощта на фемтосекундни лазерни импулси.

Топологичните изолатори провеждат електричество по повърхността си, но не пропускат ток през вътрешната си част. Повърхностните канали са устойчиви на малки дефекти и смущения, поради което такива материали представляват интерес за разработчиците на квантови компютри и спинтронни устройства. Обикновено свойствата на топологичния изолатор се определят от химичния състав и разположението на атомите. Флоке-инженерството предлага друг подход: временно преструктуриране на електронната структура на материала чрез силно периодично светлинно поле.

Под въздействието на светлината електроните преминават в нови състояния и образуват копия на енергийните зони, изместени с енергията на фотона. Такива копия могат да взаимодействат с първоначалните зони и да променят проводимостта на материала. Ефектът се запазва само по време на въздействието на лазера. Като образец изследователите избраха калаен телурид (SnTe). Материалът се намира в близост до границата между обикновеното и топологичното състояние. При висока температура неговата кристална структура поддържа топологичната фаза, но при 30 Келвина пробата преминава в нетопологично състояние.

Учените насочиха към охладения кристал кратък лазерен импулс с енергия, близка до ширината на забранената зона на SnTe. Вторият импулс избиваше електрони от материала и позволяваше да се получи мигновен снимка на неговата електронна структура. Като променяше закъснението между импулсите, екипът проследи състоянието на пробата преди, по време и след облъчването. В момента на едновременното попадане на двата импулса в забранената зона се появи конус на Дирак – характерен белег за проводимо топологично повърхностно състояние. Приблизително 100 фемтосекунди след приключването на въздействието конусът изчезваше, а оловен телурид се връщаше към първоначалните си свойства. Един фемтосекунден интервал е равен на една квадрилионна част от секундата.

Проверките помогнаха да се изключат други обяснения. Резултатът не зависеше от поляризацията на лазера, но възникваше само при енергия на светлината, близка до забранената зона на материала. Същевременно учените потвърдиха, че атомите не са успели да променят положението си за толкова кратко време. Преходът засегна само електроните. Светлината предизвика инверсия на зоните: валентната зона и зоната на проводимост размениха електронните си свойства и временно образуваха конфигурация, подобна на естествената топологична фаза на SnTe.

Изчисленията, основани на теорията на плътностния функционал и модела на Флок, възпроизведоха взаимодействието между енергийните зони и появата на конуса на Дирак. Авторите считат резултатите за пряко доказателство за светлинното състояние на Флок, въпреки че точните топологични характеристики на краткотрайната фаза все още предстои да бъдат определени. Фазите, управлявани от светлина, могат да намерят приложение в електрониката, където е необходимо свойствата на материала да се превключват по-бързо, отколкото при обикновените транзистори. В бъдеще лазерните импулси ще позволят създаването и изключването на защитени канали на проводимост, без да се променя съставът на кристала.

Основното препятствие остава краткият живот на състоянието. Трудно е ефектът да се поддържа по-дълго: калаеният телурид поглъща светлина с енергия, близка до енергията на забранената зона, и бързо се нагрява. Сега физиците трябва да намерят материали, в които подобен преход ще продължи по-дълго и ще изисква по-малко енергия.