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        一種從量子材料中提取關鍵信息的超快速光學方法
        
			
        
				2019-10-03 11:24:04
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        拓撲絕緣體是量子材料，由于其奇異的電子結構，其表面和邊緣上像金屬一樣傳導電流，同時又可作為整體的絕緣體。Max-Born非線性光學和短脈沖光譜研究所(MBI)的科學家首次展示了如何通過對超常規(guī)材料進行探測，在十億分之一秒的百萬分之一秒之內將拓撲材料與常規(guī)的相對瑣碎的部分區(qū)分開-快速激光。他們的方法可以為將這種材料用作光控電子設備中的邏輯元件開辟道路，該電子設備目前可以更快地處理數(shù)萬次信息。他們的研究發(fā)表在《自然光子學》上。
        

        一種從量子材料中提取關鍵信息的超快速光學方法
        

        拓撲概念最常見的說明涉及一個彈性椒鹽脆餅，可以以任何方式拉伸，彎曲或扭曲。不管變形如何，都不可能用椒鹽脆餅制成百吉餅或在其上加孔，而不會將其撕裂。椒鹽脆餅中的孔數(shù)因此是不變的，并提供有關椒鹽脆餅形狀的拓撲信息。
        

        在固體材料中，量子力學定律限制電子可以擁有的能量，從而導致形成帶有允許或禁止能量的能帶。使用拓撲的概念，物理學家可以描述允許的能帶的復雜形狀，并為其分配特定的拓撲數(shù)。材料系統(tǒng)中能帶結構的特殊拓撲結構表現(xiàn)為可以觀察到的奇異特性，例如拓撲絕緣體中的表面電導率。
        

        “拓撲結構最顯著的方面是它的魯棒性：拓撲結構誘導的特性受到它的保護，”來自MBI的ÁlvaroJiménez-Galán博士的兩位主要作者之一解釋說。就像我們不能改變椒鹽脆餅中的孔數(shù)而不會破壞它一樣，通常會破壞材料導電能力的雜質和其他干擾不會影響拓撲絕緣體表面的高電子遷移率。對雜質的免疫力是拓撲材料對電子行業(yè)極具吸引力的原因。
        

        使電子“談論”拓撲
        

        盡管該系統(tǒng)的拓撲結構與其中的電子行為密切相關，但是到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)在十億分之一秒的時間尺度上，拓撲特性對電子動力學的影響。通過數(shù)值模擬和理論分析，來自MBI的小組證明了有關系統(tǒng)拓撲的信息確實以這種極快的電子動力學編碼，并且可以通過觀察光來檢索。電子在被激光激發(fā)時發(fā)出。奧爾加博士說：“如果我們想象電子在能量帶中作為跑道上的賽跑者在運動，那么我們的方法允許通過簡單地測量賽跑者的加速度來了解這種賽道的拓撲結構。” MBI理論小組負責人Smirnova。超短激光脈沖激發(fā)系統(tǒng)中的電子，使它們從一個能帶跳到更高的能帶，從而使它們加速進入新的軌道。被加速的電子然后發(fā)光并迅速回落到較低位置。該過程僅持續(xù)一秒的無窮小部分，但足以使電子“感覺”到瑣碎和拓撲絕緣子的能量結構之間的細微差別，并將此信息“編碼”為發(fā)射的光。
        

        邁向超快光波電子學的道路
        

        當前的工作演示了如何以超快的速度區(qū)分瑣碎的絕緣體和拓撲絕緣體，換句話說，就是使用激光光譜法“讀出”系統(tǒng)的拓撲信息。下一步，MBI研究人員計劃利用這一知識將普通的絕緣體通過激光轉換為拓撲，反之亦然，即以相似的速率將拓撲信息“寫入”材料。這種效應的理論證明可以提出拓撲控制材料在光控電子中的應用，其中只有電子對光的響應速度才能定義信息處理速度的極限。
        
			

			
          
        
			
        
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