Для того, чтобы изменить направление движения такого крупного объекта, как автомобиль, его сначала необходимо замедлить до полной остановки, после чего он может начинать двигаться в обратную сторону. И даже самые маленькие носители электрического заряда - электроны, за счет наличия у них массы, также подчиняются этому закону. Но, для создания новых сверхбыстродействующих электронных устройств будет очень полезным найти метод, позволяющий игнорировать инерциальность электронов, сделав их похожими на фотоны света, которые способные моментально изменить направление движение, например, отразившись от зеркала, не потеряв при этом скорости движения. И если такой метод будет найден, это позволит осуществить практически моментальное изменение направления движения электрического тока, что, в свою очередь, позволит поднять тактовую частоту процессоров до недостижимых сегодня значений.
Международная группа ученых, в состав которой входили физики из университета Регенсбурга, университета Марбурга и Российской академии наук, нашли способ позволяющий изменить направление движения электронов без потери скорости за очень короткий промежуток времени. Для этого исследователи использовали материал относительно нового класса - топологический изолятор. На поверхности такого материала электроны ведут себя, словно частицы с нулевой массой, и перемещаются подобно фотонам света. А для управления движением электронов использовалось электрическое поле, создаваемое взаимодействием света и материи - самое быстрое переменное поле, параметры которого могут контролироваться человеком.
Когда электроны изменяют направление движения, они испускают вспышку широкополосного света, в которой присутствуют фотоны всех цветов радуги. Однако, существуют строгие законы, по которым происходит распределение цветов излучаемых фотонов, частота этих фотонов должна быть кратна частоте фотонов падающего света, так называемым верхним гармоникам.
"Тщательно регулируя параметры света, падающего на поверхность топологического изолятора, мы смогли разрушить это правило" - пишут исследователи, - "И нам удалось добиться того, что при изменении направления движения электронов излучался свет всех вообразимых цветов".
Произведя анализ информации, заключенной в излучаемом электронами свете, ученые обнаружили подписи некоторых необычных квантовых свойств электронов. Оказалось, что электроны на поверхности топологического изолятора, пройдя через создаваемое светом переменное электрическое поле, не перемещаются по прямым линиями, они движутся по "блуждающим траекториям", изменяя направление движения в произвольном порядке. "Все это оказалось огромной неожиданностью даже для ученых-теоретиков, которым довелось увидеть с близкого расстояния проявления странных законов квантовой механики" - пишут ученые.
Отметим, что результаты данных исследований не только обеспечивают ученым более глубокое понимание квантовой природы электронов. Согласно этим результатам топологические изоляторы являются многообещающими кандидатами для изготовления нового класса электронных устройств, способных выполнять обработку информации с огромным быстродействием. А в продолжение этой работы ученые займутся исследованиями новых релятивистских эффектов в конденсированном веществе и будут изыскивать пути практического применения всего этого в новых высокотехнологичных приложениях.