當拓撲絕緣體中的電子突然改變其運動方向時，科學家們也觀察到了一種新式的光發射。 在宏觀的現實生活中，如需改變大品質物體（比如汽車）的運動方向，就必須先減速到接近完全停止。 而即便是宇宙中最小電子，也遵循著同樣的規則。

研究配圖 – 1：來自 TI 的 HH 發射

不過對於未來的超快電子元件來說，科學家們似乎能夠繞過這個慣性的束縛。 由於光子不攜帶品質，它能夠以盡可能高的速度移動。

研究配圖 – 2：HH 發射對 CEP 驅動場的依賴性

SCI Tech Daily指出，光在改變方向時並不需要減速。 例如當被鏡子反射時，光子能夠暫態改變方向，而不會在中途有任何停留。

研究配圖 – 3：來自 TSS 的高效 HHG 的微觀起源

對於未來的電子產品來說，如果電流的方向也能夠無限快速地切換，那處理器的時鐘頻率，也將能夠大幅增加。

研究配圖 – 4：來自 TSS 的 HH 輻射中的幾何相位效應追蹤

據悉，來自雷根斯堡大學、瑪律堡大學、以及新西伯利亞俄羅斯科學院的一支國際物理學家聯盟，已成功地在超快時間尺度上，實現了電子的翻轉運動、而沒有減慢它們的速度。

擴展數據 – 1：Bi₂Te₃樣品的晶體取向

在这项研究中，他们采用了基于拓扑绝缘体的新型材料。表面上的电子行为，几乎能够像无质量的光子一样移动。

扩展数据 – 2：载流子诸如体态 / 表面态的 HHG 比较

为尽快改变这些电子的运动方向，研究人员利用了光的振荡载流子场来加速电子 —— 这也是人类可控制的自然界中最快的交变场。

扩展数据 – 3：体积强度与表面 HHG 的比较

当电子突然改变其运动方向时，就会发出超短的闪光，其中包含了像彩虹一样的宽带光谱颜色。

扩展数据 – 4：TSS 中 HHG 的 CEP 依赖性

电子闪烁的颜色，也有着严格的定义：通常当电子被光波加速时，其只会发射辐射，振荡频率仅是入射光频率的整数倍（即所谓的高次谐波辐射）。

擴充資料 – 5：TSS CEP 相關的 HHG SBE 類比（無帶間轉換）

研究一作 Christoph Schmid 解釋稱：「通過仔細調整加速光場，將能夠打破這一規則。 我們設法控制了電子的運動，從而產生了各種可以想像到的光的顏色”

擴展數據 – 6：TSS 中 HHG 的動量空間起源

在對輻射進行深入分析時，科學家們發現了電子所具有的更不尋常的量子特性。 很明顯，拓撲絕緣體表面上的電子，並不會跟隨光的電場沿直線運動，而是在固體中執行曲折的軌跡。

擴展數據 – 7：TSS 中的量子機械波包運動

Jan Wilhekm 博士解釋稱：”即使對於理論學家來說，只要稍微靠近一點，就能夠看到量子力學能夠產生哪些現象，這點事相當讓人著迷的”。

擴展數據 – 8：偏振測量的擴展分析

其與雷根斯大學物理研究所的同事們攜手開發的類比，已成功地解釋了這項實驗結果。 其不僅為電子的微觀量子特性提供了有趣的見解，還建議將拓撲絕緣體作為未來電子與資訊處理的一種有前途的材料類別。

擴展數據 – 9：拓撲表面狀態下的顫振運動

有關這項研究的詳情，已經發表於近日出版的《自然》（Nature）雜誌上。

原標題為《Tunable non-integer high-harmonic generation in a topological insulator》。