Wissenschaftler vom Technion in Haifa und der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg haben erstmals gezeigt, dass sich Elektronen in einem sogenannten Floquet-topologischen Isolator mit Licht gezielt dirigieren lassen. Die in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichte Arbeit verbindet theoretische Grundlagen aus Israel mit experimenteller Umsetzung in Deutschland und könnte den Weg zu schnelleren und energiesparenderen elektronischen Bauteilen bereiten.
Die theoretische Basis der Arbeit stammt von der Arbeitsgruppe um Dr. Ofer Neufeld am Helen Diller Quantum Center des Technion in Haifa. Die Experimentente wurden an der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg von Prof. Dr. Peter Hommelhoff (Lehrstuhlinhaber Laserphysik, inzwischen LMU) und Dr. Daniel Lesko, Postdoktorand am Lehrstuhl für Laserphysik, durchgeführt.
Zur Einordnung: Seit 2007 kennt man neben Leitern, Isolatoren und Halbleitern eine vierte Materialgruppe – die topologischen Isolatoren. Sie leiten Strom ausschließlich an ihrer Oberfläche und zwar äußerst effizient, während ihr Inneres elektrisch isolierend bleibt. Faszinierend ist, dass diese Oberflächenleitung durch die innere Geometrie der Elektronenzustände geschützt ist. Das Problem: Topologische Isolatoren sind extrem schwer herzustellen; es existiert nur ein Handvoll geeigneter Stoffe.
Graphen – eine einzige Schicht aus Kohlenstoffatomen in Honigwabenanordnung – ist da eine Ausnahme. Es lässt sich vergleichsweise einfach erzeugen, ist viele Male fester als Stahl gleicher Dicke, fast durchsichtig und ein ausgezeichneter elektrischer Leiter. Eigentlich verhält es sich aber wie ein gewöhnlicher Leiter, ohne die exotischen topologischen Eigenschaften.
Genau hier setzt die gemeinsame Arbeit an: Die Forscher bestrahlten Graphen mit intensiven, ultrakurzen Laserpulsen. Diese erzeugen für einen sehr kurzen Zeitraum Energielücken im Material. Damit übernimmt das Graphen vorübergehend die Eigenschaften eines topologischen Isolators. In der Physik nennt man diesen durch Licht erzeugten, nicht-gleichgewichtigen Zustand „Floquet-Zustand“. Er existiert nur, solange die Laserpulse auf das Material einwirken.
Den entscheidenden nächsten Schritt liefert die Polarisation des Lichts. Das Team verwendete zirkular polarisiertes Licht, bei dem sich das elektrische Feld ständig dreht – vergleichbar mit einem Schlauch, den man in Kreisen schwingt, während man gießt. Diese rotierende Lichtwirkung zwingt die Elektronen im Graphen auf kreisförmige Bahnen. FAU-Forscher Dr. Daniel Lesko formuliert es so: „ähnlich wie wenn sich auf einer Eisbahn alle Läufer in dieselbe Richtung bewegen“.
Um die Elektronen nun gezielt zu steuern, feuerte das Team einen zweiten Laserstrahl mit exakt doppelter Frequenz – und damit doppeltem Energiegehalt der Photonen – auf das Material. Dieser „beamte“ ausgewählte Elektronen auf eine andere kreisförmige Bahn, je nachdem, an welchem Punkt der ursprünglichen Kreisbahn der Strahl sie traf. Prof. Peter Hommelhoff, Lehrstuhlinhaber für Laserphysik an der FAU (heute LMU München), beschreibt es so: „Wir konnten den Ort des Spots und damit auch diese sogenannte Berry-Krümmung nach Wunsch variieren, und das extrem schnell. Diese Eigenschaft lässt sich theoretisch für besonders rasante und leistungsfähige Computer nutzen.“
Ein zweiter, ebenfalls bemerkenswerter Effekt: Die Elektronen auf der ursprünglichen Kreisbahn bewegen sich zwar in dieselbe Richtung und haben dieselbe Energie, sind aber nicht identisch – sie unterscheiden sich in einem Quantenparameter, den Lesko bildhaft als blaue und rote T-Shirts bezeichnet. Mit dem zweiten Laser konnten die Wissenschaftler gezielt nur die „Roten“ oder nur die „Blauen“ auf die neue Bahn befördern. Für Computerbauteile hieße das prinzipiell, dass man doppelt so viel Information verarbeiten könnte, je nachdem, welches „Team“ man einsetzt.
Die Messung der erzeugten Ströme in Abhängigkeit von Polarisation und Pulseinfall zeigte, dass der Quantenzustand chirale Antworten produziert: Der Strom verhält sich anders, wenn das Licht im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn polarisiert ist. Dies liefert den ersten experimentellen Nachweis einer aktiven Elektronenkontrolle in einem Nicht-Gleichgewichts-topologischen Zustand – eine Bestätigung von Theorien, die in den vergangenen Jahren zu Quantenmaterialien entwickelt wurden.
„Die Implikationen gehen weit über Graphen hinaus“, so Dr. Neufeld. Die Ergebnisse könnten schnellere, energieeffizientere elektronische Komponenten sowie Kommunikation-, Sensorik- und Rechnersysteme ermöglichen, deren Eigenschaften sich mit Licht ein- und ausschalten lassen.
Gefördert wurde die Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem EU-Programm FET Open (Horizon 2020) und der Gordon and Betty Moore Foundation.