Osservato un nuovo tipo di emissione di luce

Gli scienziati osservano un nuovo tipo di emissione di luce quando gli elettroni negli isolanti topologici invertono bruscamente la loro direzione di movimento. Le nuove scoperte sono riportate sulla rivista Nature.

Per cambiare la direzione del movimento di un oggetto massiccio, come un’automobile, è necessario prima rallentarlo e farlo arrestare completamente. Anche i più piccoli portatori di carica dell’universo, gli elettroni, seguono questa regola.

Per i futuri componenti elettronici ultraveloci, tuttavia, sarebbe utile aggirare l’inerzia dell’elettrone. I fotoni, i quanti di luce, mostrano come potrebbe funzionare.

I fotoni non trasportano massa e possono quindi muoversi alla massima velocità possibile, la velocità della luce. Per un cambio di direzione, non hanno bisogno di rallentare, quando vengono riflessi da uno specchio, ad esempio, cambiano bruscamente direzione senza sosta.

Tale comportamento è altamente desiderabile per l’elettronica futura poiché la direzione delle correnti potrebbe essere commutata infinitamente e rapidamente mentre la frequenza di clock dei processori potrebbe essere aumentata in modo importante. 

Un consorzio internazionale di fisici dell’Università di Regensburg, dell’Università di Marburgo e dell’Accademia delle scienze russa di Novosibirsk è riuscito a invertire il movimento degli elettroni su scale temporali ultraveloci senza rallentarli.

Nel loro studio, hanno impiegato la nuova classe di materiali isolanti topologici. Sulla loro superficie, gli elettroni si comportano come particelle prive di massa che si muovono quasi come la luce.

Per cambiare la direzione del movimento di quegli elettroni il più rapidamente possibile, i ricercatori hanno accelerato gli elettroni con il campo di luce portante oscillante, il campo alternato più veloce in natura controllabile dall’umanità.

Quando gli elettroni invertono bruscamente la loro direzione di movimento, emettono un lampo di luce ultracorto contenente uno spettro di colori a banda larga come in un arcobaleno.

Esistono tuttavia regole rigide su quali colori vengono emessi: in genere, quando gli elettroni vengono accelerati dalle onde luminose, viene emessa solo radiazione, la cui frequenza di oscillazione è un multiplo intero della frequenza della luce incidente, la cosiddetta radiazione armonica di ordine superiore.

“Regolando attentamente il campo di luce in accelerazione, siamo stati in grado di infrangere questa regola. Siamo riusciti a controllare il movimento degli elettroni in modo da generare luce di ogni colore immaginabile”, spiega Christoph Schmid, primo autore dello studio.

In un’attenta analisi della radiazione emessa, gli scienziati hanno scoperto ulteriori proprietà quantistiche insolite degli elettroni. È apparso evidente che gli elettroni sulla superficie di un isolante topologico non si muovono in linea retta seguendo il campo elettrico della luce, ma piuttosto compiono traiettorie tortuose attraverso il solido.

“Anche per un teorico, è molto affascinante vedere quali fenomeni può produrre la meccanica quantistica se si guarda solo un po’ più da vicino”, spiega il dott. Jan Wilhelm, che ha illustrato con successo i risultati sperimentali con una simulazione che ha sviluppato insieme ai suoi colleghi nel Istituto di Fisica Teorica dell’Università di Regensburg.

“Questi risultati non solo forniscono intriganti intuizioni sulla natura quantistica microscopica degli elettroni, suggeriscono anche isolanti topologici come classe di materiali promettenti per l’elettronica futura e l’elaborazione delle informazioni”, riassume il Prof. Dr. Rupert Huber, che ha guidato il lavoro sperimentale a Ratisbona.

Tali aspettative seguono perfettamente la mission del Collaborative Research Center SFB 1277, finanziato dalla German Science Foundation. All’interno di questa rete, i fisici sperimentali e teorici esplorano nuovi effetti relativistici nella materia condensata e testano le possibilità per implementare le loro scoperte in future applicazioni high-tech.