25.01.2023

Exzitonen in einem topologischen Isolator

Grundlage für eine neue Generation von lichtgesteuerten Computerchips.

Mit dem ersten Nachweis von Exzitonen in einem topologischen Isolator ist einem inter­nationalen Wissen­schaftsteam rund um das Würzburg-Dresdner Exzellenz­cluster ct.qmat ein großer Fortschritt in der Quantenforschung gelungen. Diese Entdeckung schafft die Grundlage für eine neue Generation von licht­gesteuerten Computerchips und Quanten­technologien. Möglich wurde dies durch geschicktes Materialdesign aus Würzburg – dem Geburtsort topologischer Isolatoren. 

Abb.: Ein Lichtpuls auf Bismuten erzeugt Exzitonen-Paare, die sich durch die...
Abb.: Ein Lichtpuls auf Bismuten erzeugt Exzitonen-Paare, die sich durch die zwei­dimensionale Material­schicht bewegen. (Bild: P. Holewa, ct.qmat)

Die Wissen­schaftlerinnen und Wissen­schaftler des Exzellenz­clusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quanten­materialien der Universitäten Würzburg und Dresden – konzentrieren sich bei der Suche nach neuen Materialien für künftige Quanten­technologien unter anderem auf topo­logische Isolatoren. Diese können Strom verlustfrei leiten und Informationen besonders stabil speichern. Bisherige Konzepte für die Nutzung von topo­logischen Isolatoren beruhen auf dem Anlegen einer elektrischen Spannung, um Ströme zu steuern – ähnlich den Schalt­vorgängen in konventionellen Computerchips. Wenn die exotischen Materialeigenschaften allerdings auf neutralen Teilchen beruhen, funktioniert das Anlegen einer elektrischen Spannung nicht mehr. Solche Quanten­phänomene erfordern daher andere Werkzeuge, um überhaupt erzeugt werden zu können – zum Beispiel Licht.

Das Team um Ralph Claessen hat nun eine entscheidende Entdeckung gemacht: „Wir konnten zum ersten Mal überhaupt Quasi­teilchen – die Exzitonen – in einem topo­logischen Isolator erzeugen und experimentell nachweisen. Damit haben wir eine neue Werkzeugkiste für die Festkörperphysik geschaffen, mit deren Hilfe wir Elektronen optisch steuern können. Dieses Prinzip könnte die Grundlage für neuartige Bauelemente werden“, betont Claessen. Exzitonen erhalten sich wie eigen­ständige Teilchen, sind aber eine Art Zustand, der nur in bestimmten Quanten­materialien entstehen kann. „Wir haben die Exzitonen erzeugt, indem wir einen kurzen Lichtpuls auf eine Material­schicht gegeben haben, die nur aus einer einzigen Atomlage besteht“, erklärt Claessen. Außer­gewöhnlich dabei sei, dass die Exzitonen in einem topologischen Isolator aktiviert wurden. 

Seit etwa zehn Jahren werden Exzitonen in anderen zwei­dimensionalen Halbleitern untersucht und als Informations­träger für lichtgesteuerte Bauelemente gehandelt. „Jetzt ist es uns erstmals gelungen, Exzitonen auch in einem topologischen Isolator optisch anzuregen. Das Wechselspiel zwischen Licht und Exzitonen lässt in solchen Materialien neue Phänomene erwarten. Dies könnte zum Beispiel genutzt werden, um Qubits zu erzeugen“, so Claessen. Die Nutzung von Licht statt elektrischer Spannung ermöglicht nun Quantenchips mit wesentlich schnelleren Taktraten als bisher. Die jüngsten Forschungs­ergebnisse ebnen daher den Weg für zukünftige Quanten­technologien und eine neue Generation von licht­gesteuerten Bauelementen in der Mikro­elektronik.

Grundlage dafür bildet in diesem Fall Bismuten. „Das ist der schwere Bruder des Wunder­materials Graphen“, sagt Claessen. „Durch unser ausge­klügeltes Material­design sind die Atome der einlagigen Bismuten-Schicht wabenförmig angeordnet, wie bei Graphen. Der Unterschied ist, dass Bismuten durch seine schweren Atome ein topo­logischer Isolator ist und Strom daher am Rand verlustfrei leiten kann – sogar bei Raum­temperatur. Graphen kann das nicht.“ Nun gehen die Wissenschaftler der Frage nach, ob die topo­logischen Eigenschaften von Bismuten auf die Exzitonen übergehen. Dieser wissen­schaftliche Nachweis ist der nächste Meilenstein, der erreicht werden soll. Dann wäre sogar der Weg für den Bau topologischer Qubits frei, die als besonders robust gelten im Vergleich zu den nicht-topo­logischen Exemplaren.
 

U. Würzburg / JOL

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