Ein topologischer Isolator für Exziton-Polaritonen

Topologische Isolatoren sind Materialien mit sehr speziellen Eigen­schaften. Sie leiten elek­trischen Strom oder Photonen nur an ihrer Ober­fläche oder an ihren Kanten, nicht aber in ihrem Inneren. Dieses unge­wöhn­liche Ver­halten könnte zu tech­nischen Inno­va­tionen führen – darum werden topo­lo­gische Isola­toren seit einigen Jahren welt­weit intensiv erforscht. Eine Neue­rung stellen jetzt Forscher der Uni Würz­burg gemein­sam mit Kollegen vom Technion im israe­lischen Haifa und der Nanyang Techno­logical Univer­sity in Singapur vor. Das Team hat erst­mals einen topo­lo­gischen Isolator reali­siert, an dessen Kanten sich Exziton-Polari­tonen fort­be­wegen. Das sind Teil­chen, in denen Photonen und Elek­tronen eng anein­ander gekoppelt sind.

In einem derartigen topologischen Isolator steckt doppeltes Potenzial, erklärt Sven Höfling von der Uni Würz­burg: „Man könnte ihn sowohl für schalt­bare elek­tro­nische Systeme als auch für Laser-Anwen­dungen nutzen.“ Mit den bis­lang reali­sierten topo­lo­gischen Isola­toren, die ent­weder auf Elek­tronen oder Photonen basieren, wäre jeweils nur eine Anwen­dung möglich.

Der neuartige topologische Isolator wurde auf einen Mikro­chip gebaut und besteht im Wesent­lichen aus dem Ver­bin­dungs­halb­leiter Gallium-Arsenid. Er besitzt eine Honig­waben-Struktur und ist aus vielen kleinen Säulen auf­ge­baut. Dabei hat jede Säule einen Durch­messer von zwei Mikro­metern. Wird diese Mikro­struktur mit Laser­licht ange­regt, ent­stehen darin Exziton-Polari­tonen, und zwar aus­schließ­lich an den Kanten. Die Teil­chen wandern dann an den Kanten ent­lang, auch um die Ecken herum, und das relativ ver­lust­arm. „Mit einem Magnet­feld können wir die Trans­port­rich­tung der Teil­chen kontrol­lieren und auch um­kehren“, sagt Sebastian Klembt von der Uni Würz­burg.

Ein fein ausgeklügeltes System also, das in anwen­dungs­nahen Dimen­sionen – auf einem Mikro­chip – funktio­niert und in dem man Licht kontrol­lieren kann. Das ist normaler­weise nicht so ein­fach möglich: Photonen besitzen keine elek­trische Ladung und lassen sich darum nicht ohne weiteres mit elek­trischen oder magne­tischen Feldern steuern. Mit dem neuen topo­lo­gischen Isolator aber geht das – Licht lässt sich damit sozu­sagen auch „um die Ecke schicken“.

JMU / RK