Topologialla kohti terahertsitaajuuksia

Topologisia materiaaleja pidetään yhtenä mielenkiintoisimmista tulevaisuuden elektroniikan materiaaleista: Topologiset eristeet johtavat sähköä erikoisella tavalla ja lupaavat nyt uusia piirejä ja nopeampaa matkaviestintää.

Kansainvälinen tutkimusryhmä on Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) johdolla selvittänyt tämän uuden materiaaliluokan perustavanlaatuisen ominaisuuden: Kuinka materiaalissa olevat elektronit tarkalleen reagoivat, kun niitä ovat "säväytetty” terahertsisäteilyn lyhyillä pulsseilla?

Topologiset eristeet ovat uusi materiaaliluokka, jolla on erityinen kvanttiominaisuus: pinnallaan ne voivat johtaa sähköä lähes häviöttömästi, kun taas niiden sisäpuoli toimii eristeenä. Tulevaisuuteen katsottuna tämä avaa mielenkiintoisia näkymiä: Topologiset eristeet voisivat muodostaa perustan korkean hyötysuhteen elektronisille komponenteille, mikä tekee niistä mielenkiintoisen tutkimusalueen fyysikoille.

Mutta monet peruskysymykset ovat edelleen vastausta vaille. Mitä tapahtuu esimerkiksi, kun niissä olevia elektroneja asetetaan virittyneeseen tilaan? Normaalisti elektronit haluavat päästä eroon niihin ajetusta energianlisäyksestä mahdollisimman nopeasti mutta tapahtuuko se topologisessa eristeessä nopeammin johtavassa pinnassa kuin eristävässä sisätilassa?

"Toistaiseksi meillä ei ole ollut asianmukaisia kokeita sen selvittämiseksi", selittää tutkimuksen johtaja tohtori Sergey Kovalev HZDR:n säteilyfysiikan instituutista."

Uuden tutkimuksen tuloksista Kovalev kertoo: "Ja kävi ilmi, että pinnan elektronit virittyivät huomattavasti nopeammin kuin materiaalin sisällä olevat elektronit." Ilmeisesti ne pystyivät siirtämään energiansa kidehilaan välittömästi.

Kun pintaelektronit palasivat alkuperäiseen energeettiseen tilaan muutamassa sadassa femtosekunnissa, niin "sisäisiltä" elektroneilta se otti noin kymmenen kertaa niin kauan, toisin sanoen muutaman pikosekunnin.

”Topologiset eristeet ovat erittäin monimutkaisia järjestelmiä. Teoria on kaikkea muuta kuin helppo ymmärtää”, korostaa professori Michael Gensch. ”Tuloksemme voivat auttaa päättämään, mitkä teoreettiset ideat pitävät paikkansa.

Mutta kokeilu lupaa myös mielenkiintoista kehitystä digitaalisessa viestinnässä, kuten WLAN ja matkaviestintä. Nykytekniikat toimivat gigahertsialueella. Jos voisimme hyödyntää terahertsialueen korkeampia taajuuksia, yhdellä radiokanavalla voitaisiin siirtää huomattavasti enemmän dataa, jolloin taajuuskertojalla olisi tärkeä rooli: Ne pystyvät muuttamaan suhteellisen alhaiset radiotaajuudet huomattavasti korkeammiksi.

Aiheesta aiemmin:

Grafeeni ja terahertsit

Metapinnoilla langattomat terahertsialueille