03.08.2023

Spektroskopische Hürden bei topologischen Isolatoren

Annahmen der topologischen Spektroskopie hoher Harmonischer in Frage gestellt.

Topologie spielt in der modernen Physik der kondensierten Materie und darüber hinaus eine enorme Rolle. Sie beschreibt, wie feste Materialien zwei sehr unterschiedliche und teilweise wider­sprüchliche Eigen­schaften vereinen können. In topologischen Isolatoren wirkt zum Beispiel die Masse als Isolator während ihre Oberflächen und Kanten dennoch Strom leiten können. Deshalb hat in den letzten Jahrzehnten das Konzept der Topologie das wissen­schaftliche Verständnis von elektronischer Struktur und Material­eigenschaften völlig verändert. Außerdem hat es den Weg für techno­logische Anwendungen geebnet, bei denen topologische Materialien in der Elektronik eingesetzt werden.

Abb.: Ein intensiver Laser beleuchtet ein topo­logisches Material, aber es...
Abb.: Ein intensiver Laser beleuchtet ein topo­logisches Material, aber es bleibt unklar, ob die charak­teristische Licht-Materie-Reaktion irgendwelche Infor­mationen über die Topologie des Materials enthält. (J. Harms, MPSD)

Gleichzeitig ist die Topologie recht schwierig zu beobachten, da sie oft eine Kombination mehrerer experi­menteller Techniken wie Photo­emissions- und Transport­messungen erfordert. Eine als hochharmonische Spektroskopie bekannte Methode hat sich kürzlich als Schlüssel­technik zur Beobachtung der Topologie eines Materials heraus­gestellt. Bei diesem Ansatz wird ein Material mit intensivem Laserlicht bestrahlt. Die Wechsel­wirkungen zwischen den Elektronen im Material und dem Laser führen zur Emission eines breit­bandigen optischen Spektrums, aus dem man Schlüsse über die topologische Phase des Festkörpers ziehen kann, wenn man die Messung mit theo­retischen Berechnungen kombiniert.

Neueste Ergebnisse eines Theorieteams am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie zeigen aber, dass es keine universellen topo­logischen Signaturen von topo­logischen Isolatoren in dieser Spektroskopie gibt. Es ist die erste systematische Untersuchung dieser Materialien mit ab initio theoretischen Methoden. Das Team fokussierte sich dabei auf einen Quanten-Spin-Hall-Isolator in einer Monoschicht aus Bismut-Atomen und einen quanten­anomalen Hall-Isolator in einer einzelnen Monoschicht aus Na3Bi. Die Forscher stellen damit die zugrundeliegenden Annahmen der topologischen Spektroskopie hoher Harmo­nischer in Frage: Dass Informationen über die Topologie in den emittierten Spektren eingeprägt sind und anschließend extrahiert werden können.

„Wir haben uns gezielt bemüht, gängige Annäherungen und vereinfachte Modelle zu vermeiden“, erklärt Ofer Neufeld. „Bei dieser umfang­reichen und gründlichen Analyse konnten wir keine universellen topo­logischen Signaturen identifizieren, was darauf hindeutet, dass es solche Signaturen wahr­scheinlich nicht gibt. Selbst wenn einige Merkmale auf den ersten Blick stark mit einer topo­logischen Eigenschaft zu korrelieren schienen, waren sie nie topologisch, wenn wir ihrem Ursprung auf den Grund gingen.“

Stattdessen dominierten die nicht-topologischen Aspekte des Systems in den Spektren, was darauf hindeutet, dass die Topologie eine geringere Rolle spielen könnte als bisher angenommen. „Ein Festkörper kann beispiels­weise unterschiedlich auf Laserlicht reagieren, das links- oder rechts­elliptisch polarisiert ist“, erklärt Nicolas Tancogne-Dejean. „Auf den ersten Blick könnte man meinen, dass diese typische Reaktion auf die Topologie zurück­zuführen ist. Bei näherer Betrachtung stellt sich jedoch heraus, dass dieser Effekt auf der Kristall­struktur und nicht der topologischen Struktur basiert.“

Die Ergebnisse des Teams werfen wichtige Fragen zur möglichen Nutzung der Topologie für Anwendungen in der hochgradig nicht­linearen Optik auf. Dennoch schließen die Theoretiker die Existenz topo­logischer Signaturen bei der Erzeugung hoher Harmonischer nicht gänzlich aus. Stattdessen argumentieren sie, dass andere, nicht-topo­logische Aspekte des Materials in der Regel die resul­tierenden Spektren dominieren, wie die Bandstruktur, die Gitter­symmetrie und die chemische Natur der beteiligten Orbitale. „Wir hoffen, dass unsere Studie nicht nur als Warnung vor potenziell irre­führenden topologischen Finger­abdrücken dienen wird, sondern vor allem, dass sie die Fachwelt dazu motiviert, komplexere und robustere Ideen für die Messung der Topologie durch nicht­lineare Optik zu entwickeln", fasst Neufeld zusammen.

MPSD / JOL

Weitere Infos

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Virtuelle Jobbörse

Virtuelle Jobbörse
Eine Kooperation von Wiley-VCH und der DPG

Virtuelle Jobbörse

Innovative Unternehmen präsentieren hier Karriere- und Beschäftigungsmöglichkeiten in ihren Berufsfeldern.

Die Teilnahme ist kostenfrei – erforderlich ist lediglich eine kurze Vorab-Registrierung.

Meist gelesen

Photo
29.02.2024 • NachrichtForschung

Galaktische Welle

Radcliffe-Welle in der Milchstraße ist Indiz für geringe Menge an dunkler Materie in unserer galaktischen Nachbarschaft.

Themen