Quanten-Spin-Hall-Effekt bei Photonen

Photonen haben sowohl einen Impuls als auch einen Spin, die miteinander gekoppelt sein können. Vor einigen Jahren hatte man entdeckt, dass Lichtquanten einen Spin-Hall-Effekt zeigen und sich je nach Spinrichtung unterschiedlich bewegen. Neuerdings hat man polarisierte Lichtmoden an Grenzflächen beobachtet, die sich je nach Polarisationsrichtung nur in eine bestimmte Richtung ausbreiten können. Vieles spricht dafür, dass es sich dabei um einen photonischen Quanten-Spin-Hall-Effekt handelt.

Aus der Festkörperphysik kennt man den Hall- und den Quanten-Hall-Effekt. Dabei werden in einer Materialprobe, an die eine elektrische Spannung angelegt wird, die Bahnen der Leitungselektronen von einem äußeren Magnetfeld beeinflusst. Beim Hall-Effekt führt dies zur Ablenkung der Elektronen und zum Aufbau der Hall-Spannung. Beim Quanten-Hall-Effekt zeigt der aus der Hall-Spannung abgeleitete Hall-Widerstand universelle Stufen. Sie beruhen auf Elektronenzuständen am Probenrand, die durch topologische Eigenschaften stabilisiert werden und einen Elektronentransport jeweils nur in eine Richtung gestatten.

Neben ihrer Ladung tragen Elektronen auch einen intrinsischen Drehimpuls oder Spin. Dessen Kopplung mit der Elektronenbahn liegt dem Spin-Hall-Effekt (SHE) und dem Quanten-Spin-Hall-Effekt (QSHE) zu Grunde, die zu einem spinabhängigen Elektronentransport führen. Beim QSHE wird dieser Transport wieder von topologisch stabilisierten Zuständen am Rand der Materialprobe getragen, die indes nicht Ladungen sondern entgegengesetzt gerichtete Spins in entgegengesetzte Richtung transportieren. Solche Randzustände geben den topologischen Isolatoren ihre charakteristischen Eigenschaften, die intensiv erforscht werden.

Auch für Photonen hatte man schon den Hall- und den Quanten-Hall-Effekt beobachten können, unter anderem mit magneto-optischen Systemen, wo an Rändern und Oberflächen ein gerichteter Photonentransport auftrat. Kann man mit Photonen, die ja ebenfalls einen Spin besitzen, auch den SHE und den QSHE beobachten? Dieser Frage sind Konstantin Bliokh, Daria Smirnova und Franco Nori am RIKEN Center for Emergent Matter Science in Japan nachgegangen.

Schon vor einigen Jahren hatten verschiedene Forschergruppen, unter ihnen Bliokh und seine Kollegen, eine spinabhängige Ablenkung von Photonen bemerkt und als SHE interpretiert. Vor gut einem Jahr haben Nori und seine Mitarbeiter die Ausbreitung und Polarisation von Licht entlang einer Metalloberfläche im Vakuum untersucht und dabei eine interessante Entdeckung gemacht.

Normalerweise kann sich der Spin eines Photons, je nach seiner zirkularen Polarisation, in zwei Richtungen einstellen: parallel oder antiparallel zum Photonenimpuls. Bei den Lichtwellen in der Metalloberfläche, die zusammen mit den Plasmaschwingungen der Metallelektronen ein Oberflächen-Plasmon-Polariton bildeten, konnte die Polarisation – und somit auch der Photonenspin – senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen. Da es sich um evaneszente Lichtwellen handelte, die mit zunehmendem Abstand von der Metalloberfläche exponentiell abfielen, hatten sie einen komplexen Wellenvektor, der nicht mit der Ausbreitungsrichtung der Welle übereinstimmte.

Berechnungen der Forscher hatten nun ergeben, dass der Spinvektor immer rechter Hand vom Ausbreitungsvektor lag, wenn man von oben auf die Metalloberfläche blickte. Photonen mit entgegen gerichteten Spins bewegten sich demnach in entgegengesetzte Richtungen – wie man es von den Randzuständen beim elektronischen QSHE kennt. Handelte es sich also bei den Oberflächenwellen tatsächlich um die gesuchten Randzustände des photonischen QSHE?

Das überprüften Nori und seine Kollegen, indem sie die evaneszenten Oberflächenwellen mit zirkular polarisiertem Licht anregten, das sie streifend auf die Metalloberfläche einstrahlten. Auf der Oberfläche sorgte ein Nanoteilchen für die nötige Kopplung. Dabei beobachteten sie, dass sich mit rechtszirkular polarisiertem Licht nur Oberflächenwellen anregen ließen, die sich in eine Richtung ausbreiteten, mit linkszirkular polarisiertem Licht nur solche, die in die andere Richtung liefen. Über den Photonenspin ließ sich also die Transportrichtung der Lichtquanten kontrollieren.

Ein einfaches Metallstück wurde somit zum photonischen topologischen Isolator: In sein Inneres konnten sie optischen Oberflächenwellen nicht eindringen, während an seiner Oberfläche die Ausbreitungsrichtung der photonischen Anregungen von ihrer Polarisation und somit von der Spinrichtung abhing. Die Forscher vermuten, dass der enge Zusammenhang zwischen Spin und Ausbreitungsrichtung eine universelle Eigenschaft von vektoriellen Oberflächenwellen ist, ganz gleich ob sie klassischer oder quantenmechanischer Natur sind.

Rainer Scharf

PH