Laser erzeugt topologischen Zustand in Graphen

Die Entdeckung neuer Methoden zur Kontrolle topologischer Aspekte von Quanten­materialien ist ein wichtiges Forschungs­feld, da mit ihnen Materialien mit wünschens­werten Ladungs- und Spintransport­eigenschaften für zukünftige Tech­nologien entwickelt werden können. Nun haben Wissen­schaftler vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg einen wegweisenden Ansatz entdeckt, der es ermöglicht hat, mit Hilfe von Laserlicht einen topo­logischen Zustand in Graphen zu erzeugen.

In topo­logischen Materialien nehmen Elektronen eine verdrehte Welt wahr. Statt sich geradeaus zu bewegen, wenn eine Kraft auf sie wirkt, kann es passieren, dass die Elektronen seitwärts geschoben werden. Tatsächlich fließt in solchen Materialien Strom senkrecht zur angelegten Spannung. Das grund­legende Modell, welches diesen Effekt beschreibt, wurde Ende der 1980er Jahre von Duncan Haldane entwickelt. Selbst sein Erfinder bezweifelte, dass es jemals in einem echten Material implementiert werden könnte. Dennoch erlaubte es die aufwändige chemische Synthese neuer Materialien später, sehr ähnliche Effekte zu beobachten, was eine techno­logische Revolution auslöste – und weswegen Haldane zu guter Letzt 2016 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Topo­logisch geschützter Transport wird in Materialien normaler­weise durch das Anlegen starker Magnetfelder oder die Synthese von Verbindungen mit starker Spin-Bahn-Kopplung erzeugt. Wissenschaftler in Andrea Cavalleris Gruppe haben nun gezeigt, dass auch die kohärente Wechsel­wirkung mit zirkular polarisiertem Licht topo­logische Ladungs­ströme in Graphen erzeugen kann. Bei diesem grundlegend neuen Ansatz wird das Graphen mit intensiven, zirkular polarisierten Laserpulsen beleuchtet, deren elek­trisches Feld die Elektronen in Kreisen bewegt. Während das Graphen von dem kurzen Laserpuls beleuchtet wird, verhält es sich plötzlich wie ein topo­logisches Material. Sobald der Laserpuls vorbei ist, kehrt es in seinen ursprüng­lichen Zustand zurück. Obwohl dieser Mechanismus in Simu­lationen getestet wurde, blieb bisher völlig unklar, ob er sich auch im kompli­zierteren Umfeld von realen Festkörpern anwenden ließe und dort messbar wäre.

Um ihre Entdeckung zu belegen, mussten die Physiker elektrische Ströme messen, die senkrecht zur angelegten Spannung fließen. Dies stellte jedoch eine große Heraus­forderung dar: „Da der Effekt nur für ungefähr ein Millionstel eines Millionstels einer Sekunde anhält, mussten wir einen gänzlich neuen elek­tronischen Schaltkreis entwerfen,“ sagt James McIver. Das Ergebnis war eine ultraschnelle, opto­elektronische Geräte­architektur, die auf licht­empfindlichen Schaltern basiert. Sie bestätigte die Existenz des Effekts. Die Forscher wollen diesen Schaltkreis auch zukünftig nutzen, um diverse Probleme in Quanten­materialien zu untersuchen, wie zum Beispiel licht­induzierte Supraleitung oder topo­logische Randkanäle.

„Diese Arbeit zeigt, dass Licht topo­logische Eigen­schaften in topologisch trivialen Materialen hervorrufen kann,“ sagt Gregor Jotzu. „Das ultra­schnelle Auftreten dieses Effekts birgt großes Potential für die Entwicklung von extrem schnellen Sensoren oder Rechnern.“

MPSD / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. W. McIver et al.: Light-induced anomalous Hall effect in graphene, Nat. Phys., online 4. November 2019; DOI: 10.1038/s41567-019-0698-y
• Dynamik von Quanten-Festkörpersystemen, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie MPSD, Hamburg