量子物理定律支配着微观世界。例如，它决定了电子通过晶体的难易程度，从而决定了该材料是金属、半导体还是绝缘体。

量子物理可能会导致某些材料产生奇异的性质。在所谓的拓扑绝缘体中，只有能够占据某些特定量子态的电子才能像表面上的无质量粒子一样自由移动，而这种材料体主体中的电子则完全没有这种流动性。

此外，这种材料表面传导的电子必然是自旋极化的，能形成鲁棒的金属表面态，这些态可以作为通道，在飞秒(1飞秒是1秒的一千万亿分之一)时间尺度上能驱动纯自旋电流。

这些特性为开发基于拓扑材料的新信息技术提供了令人兴奋的机会，例如通过利用其表面的电子自旋(而不是电荷)发展来的超快速自旋电子学。

特别是，飞秒激光脉冲在这些材料中的光激发是实现高效、无损自旋信息传递的一种很有效的替代方法。利用这些特性开发的自旋电子器件具有卓越性能的潜力，因为它们可以将信息传输速度提高到比现代电子技术快1000倍的频率。

然而，在自旋电子器件得以发展之前，还有许多问题需要解决。例如，这些拓扑材料的体内电子和表面电子如何响应外部刺激(即激光脉冲)，以及还要研究它们在超短时间尺度上集体行为的重叠程度。

一个由柏林亥姆霍兹中心(HZB)物理学家Jaime Sánchez-Barriga博士领导的团队，他们现在已经为这种机制带来了新的见解。该团队还与莫斯科罗蒙诺索夫国立大学的研究人员合作建立了一个Helmholtz-RSF联合研究小组，他们一起研究了锑(Sb)元素的单晶，它此前被认为是一种拓扑材料。

Sánchez-Barriga博士说：“在一个简单的系统中研究有趣的物理现象是一个很好的策略，因为这是我们有希望了解基本原理的地方……对这种材料拓扑性质的实验验证，需要我们直接观察它在时间、自旋、能量和动量分辨率不同条件的高度激发态下的电子结构。通过这种方式，我们获得了一种不同寻常的电子动力学行为。”

这样做的目的是为了了解锑单晶体中和表面的激发电子对外部能量输入的反应速度，并探索控制它们反应的机制。该团队的研究员Oliver J. Clark博士说：“通过控制初始激光激发和第二次脉冲之间的时间延迟，这使我们能够探测电子结构。我们能够建立一个全时间分辨的图像，它关于激发态如何在超快时间尺度上离开和返回的平衡。时间和自旋分辨能力的独特结合也让我们能够直接探测远非平衡激发态的自旋极化。”

数据显示在表面态的瞬时占据能量—动量色散—中存在“扭结”结构，这可以解释为有效电子质量在增加。该团队证明，这种质量的增强在决定来自体内和表面的电子动力学行为的复杂相互作用方面起着决定性的作用，这也取决于它们在超快光激发后的自旋。

“我们的研究揭示了这类材料的哪些基本特性是系统控制相关时间尺度的关键，在这个时间尺度中，可以产生和操纵无损自旋极化电流。”Sánchez-Barriga解释说，这些都是让基于拓扑材料的自旋电子器件具有超快速信息处理能力的重要步骤。（编译: Julien）