拓扑绝缘体以一种特殊的方式导电，并有望实现新型电路和更快的移动通信。在德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心(HZDR)的领导下，来自德国、西班牙和俄罗斯的一个研究小组对这种新型材料的一个基本性质提出了质疑：当材料中的电子被所谓的太赫兹辐射的短脉冲“惊吓”时，它们究竟如何反应？该团队在《npj量子材料》上报告说，他们的研究结果可能预示着在未来几年内将有更快的移动数据通信或高灵敏度探测器系统用于探索遥远的世界。

拓扑绝缘体是最近出现的一种具有特殊量子特性的材料。在它们的表面上，几乎可以无损耗地导电，而它们的内部则起到绝缘体的作用，这使得内部没有电流可以在那里流动。这开辟了有趣的应用前景，拓扑绝缘体可以构成高效电子元件的基础，这使它们成为物理学家感兴趣的研究领域。

但有许多基本问题仍未得到解答。例如，当使用特定的电磁波(所谓的太赫兹辐射)“推动”材料中的电子从而产生激发态时，会发生什么？有一点很清楚的是，电子想要尽快摆脱强加给它们的能量提升，例如通过加热它们的周围晶格。然而，在拓扑绝缘体的情况下，之前不清楚在导电表面释放这种能量是否比在绝缘体中更快。来自HZDR辐射物理研究所的研究负责人Sergey Kovalev博士解释说：“到目前为止，我们根本没有合适的实验来找出答案。直到现在，在室温下很难将表面反应与材料内部的反应区分开来。”

为了克服这一障碍，Kovalev和他的国际团队开发了一种巧妙的测试装置：用强太赫兹脉冲击中样品并激发电子。紧接着，激光闪光照亮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，特殊探测器会测量样品表现出异常非线性效应的程度，并倍增所施加的太赫兹脉冲的频率。Kovalev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。
 
快速能量转移

关键的是，该国际团队并没有只考察单一的材料。相反，俄罗斯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：在一种样品中，只有表面上的电子才能直接吸收太赫兹脉冲；而在其他样品里，电子主要在样品内部激发。Kovalev解释说：“通过比较这三个实验，我们能够精确地区分材料的表面行为和内部行为。结果表明，材料表面的电子比材料内部的电子被激发得快得多。”显然，他们能够立即将能量转移到晶格上。

虽然表面电子在几百飞秒时间内就恢复到了原来的能量状态，但材料“内部”的电子花费了大约10倍的时间，即几皮秒。HZDR的TELBE设施前负责人、现任德国航空航天中心(DLR)光学传感器系统研究所部门负责人及柏林工业大学教授Michael Gensch说：“拓扑绝缘体是一种高度复杂的系统。这个理论并不容易理解。我们的结果可以帮助确定哪些理论观点是正确的。”

高效的倍频器

该实验也预示着WLAN和移动通信等数字通信领域将有有趣的发展。如今，5G等技术已在千兆赫范围内发挥作用。如果我们能够利用太赫兹范围内的更高频率，那么单个无线电信道可以传输更多的数据，因此倍频器可以发挥重要的作用，它们能够将相对较低的无线电频率转换为明显更高的无线电频率。

前段时间，研究团队已经意识到，在一定条件下，石墨烯(一种二维的超薄碳材料)可以作为一种高效的倍频器。它能够将300GHz的辐射转换为某些太赫兹的频率。问题在于，当施加的辐射非常强时，石墨烯的效率会显着下降。新研究还发现，另一方面，拓扑绝缘体即使在最强烈的刺激下也能发挥作用。与Sergey Kovalev一起领导TELBE团队的HZDR物理学家Jan-Christoph Deinert猜测道：“这可能意味着可以将频率从几太赫兹倍增到几十太赫兹。目前来看，拓扑绝缘体在这方面还没有看到尽头。”

如果出现这样的发展，新的量子材料可以在比石墨烯更宽的频率范围内使用。Gensch解释说：“在DLR，我们有兴趣在用于天文学的高性能外差接收器中使用这种量子材料，尤其是在太空望远镜中。”（编译:Qtech）