Инженеры из Массачусетского технологического университета записали на видео возбуждение электронов, происходящее на поверхности топологических изоляторов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, кратко ее содержание можно прочитать на сайте университета.

Записать динамику электронного феномена, который длится не более 5 пикосекунд (10^-12 секунд) удалось при помощи особого вида спектроскопии. Вначале поверхность материала облучали возбуждающим электроны лазерным импульсом. После некоторой паузы следовала вторая вспышка света, которая падала на электроны, уже находящиеся в возбужденном состоянии. Анализируя спектр отраженного света, ученые получали данные о состоянии электронов в момент второго импульса.

Паузу между первой и второй вспышками постепенно увеличивали, что позволило получить динамическую картину возбуждения.

Сложность подобного эксперимента заключается в том, что для изучения таких быстрых явлений, как возбуждение электронов, требуются лазеры, способные выдавать крайне короткие вспышки. Длительность импульса лазера, который применили ученые, не превышала нескольких фемтосекунд (10–15 секунд). Для сравнения: расстояние, которое проходит свет за одну секунду составляет 300 тысяч километров, за одну фемтосекунду – 300 нанометров.

Ранее инженеры использовали такой лазер, чтобы «заглянуть за угол» – восстановить изображение по рассеянному свету короткого импульса.

В результате авторам удалось показать,

как поверхностные электроны в селениде висмута проникают вглубь материала и как этот процесс зависит от температуры.

Топологическими изоляторами называют недавно открытые вещества, у которых резко отличаются свойства электронов на поверхности и в глубине материала. В них, например, существуют такие направления, вдоль которых проведение тока происходит без затраты энергии. При этом внутри материал остается изолятором.