拓扑绝缘体被认为是未来电子学中最有趣的材料之一:拓扑绝缘体以一种特殊的方式导电，有望在新型电路和更快的移动通信中发挥作用。的领导下Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR),一个研究小组来自德国、西班牙和俄罗斯已经揭开这个新类的基本性质的材料:材料中的电子究竟如何回应“震惊”时所谓的短脉冲太赫兹辐射吗?研究小组在《NPJ量子材料》杂志上报道说，这些结果不仅对我们对这种新型量子材料的基本理解具有重要意义，而且预示着在未来数年里探索遥远世界的更快的移动数据通信或高灵敏度探测器系统。
拓扑绝缘体是一种非常新出现的材料，它具有一种特殊的量子特性:在它们的表面上，它们可以几乎无损耗地导电，而它们的内部功能是绝缘体——没有电流可以在那里流动。展望未来，这打开了一个有趣的前景:拓扑绝缘体可以成为高效电子元件的基础，这使它们成为物理学家的一个有趣的研究领域。
但仍有一些基本问题没有得到解答。例如，当你用特定的电磁波——所谓的太赫兹辐射——“轻推”材料中的电子，从而产生激发态时，会发生什么?有一件事是清楚的:电子想要尽快摆脱强加在它们身上的能量提升，比如通过加热它们周围的晶格。然而，在拓扑绝缘体的情况下，之前还不清楚是否去除这种能量发生在导电表面比在绝缘铁芯更快。“到目前为止，我们根本没有合适的实验来找出答案，”来自HZDR辐射物理研究所的研究负责人Sergey Kovalev博士解释道。“到目前为止，在室温下，很难区分材料的表面反应和内部反应。”
为了克服这一障碍，他和他的国际团队开发了一种巧妙的测试装置:强烈的太赫兹脉冲击中样本并激发电子。随后，激光照射材料并记录样品对太赫兹刺激的反应。在第二个测试系列中，特殊探测器测量样品显示出不寻常的非线性效应的程度，并增加太赫兹脉冲的频率。科瓦列夫和他的同事在HZDR的ELBE高功率辐射源中心使用TELBE太赫兹光源进行了这些实验。来自巴塞罗那加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所、比勒菲尔德大学、德国航空航天中心(DLR)、柏林技术大学、罗蒙诺索夫大学和莫斯科Kotelnikov无线电工程与电子研究所的研究人员参与了这项研究。
快速的能量转移
决定性的事情是，国际小组不仅调查单一的材料。相反，俄罗斯的项目合作伙伴生产了三种不同的拓扑绝缘体，它们具有不同的、精确确定的特性:在一种情况下，只有表面的电子可以直接吸收太赫兹脉冲。在另一种情况下，电子主要在样品内部被激发。Kovalev解释说:“通过比较这三个实验，我们能够精确地区分材料表面和内部的行为。”“结果发现，表面的电子被激发的速度明显快于材料内部的电子。”显然，他们能够将能量立即转移到晶格中。
用数字表示:当表面电子在几百飞秒内恢复到它们最初的高能状态时，“内部”电子需要大约10倍的时间，也就是几皮秒。“拓扑绝缘体是高度复杂的系统。这个理论一点也不容易理解，”迈克尔·根施强调说，他是HZDR的TELBE设备的前负责人，现在是德国航空航天中心(DLR)光学传感器系统研究所的主任，也是柏林工业大学的教授。“我们的研究结果可以帮助确定哪个理论观点是正确的。”
高效的乘法
但是这个实验也预示着数字通信的有趣发展，比如无线局域网和移动通信。如今，5G等技术可以在千兆赫范围内发挥作用。如果我们能在太赫兹范围内利用更高的频率，一个无线电频道就能传输更多的数据，因此频率乘成器就能发挥重要作用:它们能够将相对较低的无线电频率转换成明显较高的频率。
不久前，研究团队已经意识到，在一定条件下，石墨烯——一种二维的超薄碳——可以作为有效的频率倍增器。它能够将300千兆赫的辐射转换成一些太赫兹的频率。问题是，当应用的辐射非常强烈时，石墨烯的效率会显著下降。另一方面，新研究发现，拓扑绝缘体甚至能在最强烈的刺激下发挥作用。“这可能意味着可以将频率从几个太赫兹增加到几十个太赫兹，”HZDR物理学家Jan-Christoph Deinert推测，他和Sergey Kovalev一起领导TELBE团队。“目前，拓扑绝缘体还没有结束的迹象。”
如果有了这样的发展，这种新的量子材料可以在比石墨烯更宽的频率范围内使用。“在DLR，我们对在天文学的高性能外差接收器中使用这种量子材料非常感兴趣，特别是在太空望远镜中，”Gensch解释说。
参考:
s . Kovalev K.-J。Tielrooij J.-C。Deinert, I. Ilyakov, N. Awari, M. Chen, A. Ponomaryov, M. Bawatna, T. V. A. G. de Oliveira, L. M. Eng, K. A. Kuznetsov, D. A. Safronenkov, G. Kh。基塔耶娃、P. I.库兹涅佐夫、H. A.哈菲兹、D.图尔奇诺维奇、M.根施。拓扑绝缘子表面超快狄拉克费米子弛豫的太赫兹信号。npj量子材料，2021年;6 (1) DOI: 10.1038/s41535-021-00384-9
