Schnelltest für topologische 2D-Materialien

Topologische Quantenmaterialien gelten als Hoffnungsträger für die Hightech der Zukunft. Der Nachweis ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften war bisher jedoch sehr aufwendig. Jetzt haben Forschende des Exzellenz­clusters ct.qmat eine experi­mentelle Methode entwickelt, mit der sich zwei­dimensionale topologische Materialien im Schnelltest systematisch nachweisen lassen. Das könnte der noch jungen und vielseitigen Material­klasse zum Durchbruch verhelfen. 

Im Jahr 2007 gelang Laurens W. Molenkamp, Gründungs­mitglied des Würzburg-Dresdner Exzellenz­clusters ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter, der erste experimentelle Nachweis von topologischen Isolatoren, einer neuen Materialklasse. Das Besondere: Im Inneren sind sie isolierend, doch auf ihrer Material­oberfläche leiten sie Elektronen ganz ohne Widerstand. Seither boomt die weltweite Erforschung dieser Werkstoffe, denn sie gelten als Schrittmacher einer Materialrevolution und bietet neue Perspektiven für Quanten­technologien. Sie könnten zum Beispiel für ‚kalte Chips‘ sorgen: leistungs­fähig, energiesparsam und ohne Abwärme.

„Bis heute ist der experimentelle Nachweis topologischer Isolatoren das Ergebnis hochkomplexer Forschung. Schon für die Herstellung einer Materialprobe sind ein großes Team und viel Zeit nötig. Trotzdem ist es nie sicher, ob der Nachweis klappt“, sagt der Würzburger Clustersprecher Ralph Claessen. Doch jetzt hat ein Würzburger Forschungsteam von ct.qmat eine systematische Methode entwickelt, mit der sich zwei­dimensionale topologische Quantenmaterialien in Rekordzeit und mit viel einfacheren Messtechnologien nachweisen lassen. „Neben einer vielversprechenden Materialprobe braucht man dazu eigentlich nur spezielle Röntgenstrahlen“, sagt der Projektleiter von der Universität Würzburg, Simon Moser. „Die speziellen Lichtteilchen müssen hoch­frequent und zirkular polarisiert sein, also ein Drehmoment besitzen – das bekommt man mit jeder Synchrotron-Lichtquelle hin. Unsere Proben wurden zum Beispiel im Forschungs­zentrum Elettra Sincrotrone in Triest und bei der Diamond Light Source, dem britischen nationalen Synchrotron-Labor auf dem Harwell Science and Innovation Campus in Oxfordshire, bestrahlt.“

Was so einfach klingt, ist ein methodischer Meilenstein für die Erforschung topologischer Quanten­materialien: „Hat man an einem Synchrotron ein Zeitfenster bekommen, dann kann man nun schon nach etwa einer Woche sagen, ob das Material ein topologischer Isolator ist oder nicht. Mit der klassischen Methode dauert das mindestens eine Doktorarbeit lang“, so Moser. Im Kern basiert die neue Schnelltest-Methode auf dichroitischer Photo­emission. Dabei wird eine Materialprobe in mehreren Durchgängen mit hochfrequentem, aber unter­schiedlich polarisiertem Licht bestrahlt. So werden zunächst nur die Elektronen aus dem Material gelöst, die sich zum Beispiel im Uhrzeiger­sinn drehen. Anschließend dann nur die Elektronen, die sich gegen den Uhrzeigersinn drehen. 

Den unterschiedlichen Drehsinn von Elektronen mithilfe dichroitischer Photoemission nachzuweisen und so ihrer Topologie auf die Spur zu kommen – diese Idee ist nicht neu. 2023 konnte ein anderes Würzburger ct.qmat-Team mit dieser Methode die Topologie eines Kagome-Metalls erstmals analysieren. „Die Kollegen haben die zirkulare Photo­emission genutzt, um das Kagome-Metall zu erforschen. Wir haben uns auf die Methodik konzentriert und eine Art Kochrezept erarbeitet, mit dem der Nachweis nun immer und nicht nur zufällig klappt“, erklärt Moser den neuen Ansatz seines Teams. „Unser Schnelltest macht die Topologie der Elektronen ganz systematisch sichtbar.“

Da die Forschenden seit vielen Jahren das zwei­dimensionale Quanten­material Indenen erfolgreich untersuchen, haben sie dieses Material auch für die Entwicklung der Schnelltest-Methode genutzt. Aber schon jetzt wenden sie das Prinzip auch auf andere Materialien an. Gerade wurde die Bestrahlung einer Bismuthen-Probe abgeschlossen. Die Daten werden in Kürze ausgewertet.

ct.qmat / JOL