15.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern

Randzustände sind durch Quanten­korrela­tionen charak­te­ri­siert.

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, ver­sprechen interes­sante tech­nische Anwen­dungen. Doch bisher sind ihre Eigen­schaften noch wenig ver­standen. Bern­hard Irsigler, Jun-Hui Zheng und Walter Hof­stetter der Goethe-Univer­sität haben diese topo­lo­gischen Isola­toren nun mit­hilfe ultra­kalter Quanten­gase model­liert: Sie zeigen, wie man die Rand­zustände experi­men­tell sicht­bar machen könnte.

Abb.: Künstliche Grenze in einem optischen Gitter (blau), befüllt mit einem...
Abb.: Künstliche Grenze in einem optischen Gitter (blau), befüllt mit einem ultra­kalten Quanten­gas, das aus ’Spin-up‘-Teilchen (rot) und ’Spin-down‘-Teilchen (grün) besteht. ’Spin-up‘-Teilchen können an der Grenze entlang (und nur dort) nur nach links laufen, ’Spin-down‘-Teilchen nur nach rechts. (Bild: B. Irsigler, GUF)

Man stelle sich eine Scheibe aus einem Isolator vor, an deren Rand ein Strom immer in die­selbe Rich­tung fließt. „Dadurch ist es unmög­lich, dass ein Quanten­teil­chen auf­ge­halten wird, da es den Zustand, in die andere Rich­tung zu laufen, schlicht nicht gibt“, erklärt Irsigler. Anders aus­ge­drückt: In den Rand­zu­ständen fließt der Strom ohne Wider­stand. Man könnte sie beispiels­weise dazu ver­wenden, die Zuver­lässig­keit und Energie-Effi­zienz von Mobil­geräten zu steigern. Aktuell wird auch erforscht, wie man damit effi­zien­tere Laser bauen könnte.

Um das Verhalten topologischer Isolatoren besser verstehen zu können, hat man sie in den ver­gan­genen Jahren auch in ultra­kalten Quanten­gasen erzeugt. Diese Gase ent­stehen, wenn man ein gewöhn­liches Gas auf Tempe­ra­turen zwischen einem Million­stel und einem Milliard­stel Grad über dem abso­luten Null­punkt abkühlt. Erzeugt man ein ultra­kaltes Quanten­gas zusätz­lich in einem optischen Gitter aus Laser­licht, ordnen sich die Gas-Atome so regel­mäßig an wie im Kristall­gitter eines Fest­körpers. Anders als in einem realen Fest­körper kann man viele Para­meter vari­ieren und so auch künst­liche Quanten­zustände studieren. „Wir sprechen gern von einem Quanten­simu­lator, weil ein solches System uns viele Dinge verrät, die in einem Fest­körper passieren. So können wir mit ultra­kalten Quanten­gasen in optischen Gittern die Grund­lagen­physik von topo­lo­gischen Isola­toren ver­stehen“, erläutert Zheng.

Ein bedeutender Unterschied zwischen einem Festkörper und einem Quanten­gas ist jedoch, dass die wolken­förmigen Gase keine defi­nierten Ränder haben. Wie ent­scheidet also ein topo­lo­gischer Iso­lator im ultra­kalten Quanten­gas, wo seine Ränder sind? Um diese Frage zu beant­worten, haben die Forscher eine künst­liche Grenze zwischen einem topo­lo­gischen Iso­lator und einem normalen Iso­lator betrachtet. Diese stellt den Rand des topo­lo­gischen Iso­lators dar, an dem sich der leit­fähige Rand­zustand aus­bildet.

„Wir zeigen, dass der Randzustand durch Quanten­korre­la­tionen charak­teri­siert ist, die man im Experi­ment mit Hilfe eines Quanten­gas-Mikro­skops messen könnte. Der­artige Messungen werden beispiels­weise an der Harvard Univer­sity, am MIT und am MPI für Quanten­optik durch­ge­führt“, so Hof­stetter. Ein Quanten­gas-Mikro­skop ist ein Gerät, mit dem man im Experi­ment ein­zelne Atome sehen kann. „Ent­schei­dend für unsere Arbeit ist, dass wir die Wechsel­wirkung zwischen den Teil­chen des Quanten­gases explizit berück­sich­tigten. Das macht die Unter­suchung realis­tischer, aber sehr viel kompli­zierter. Ohne Super­computer kann man die auf­wändigen Berech­nungen nicht durch­führen. Besonders wichtig ist für uns auch die enge Zusammen­arbeit mit führenden europä­ischen Wissen­schaft­lerinnen und Wissen­schaftlern im Rahmen der DFG-Forscher­gruppe ‘Arti­fi­cial Gauge Fields and Inter­acting Topo­lo­gical Phases in Ultra­cold Atoms‘.“

GUF / RK

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