Spinmoment von Meronen ermittelt
Topologie eines Plasmons bleibt konstant, obwohl das elektrische und das magnetische Feld schwingen und rotieren.
Einem Forschungsteam unter Leitung von Physikern der Uni Duisburg-Essen ist es erstmals gelungen, die Spintextur zuvor erzeugter Meronen präzise zu ermitteln und daraus auf die topologischen Eigenschaften dieser Strukturen zu schließen. Ihre Erkenntnisse könnten dazu beitragen, Informationen künftig sicherer zu übertragen und zu speichern.
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Elektronen, die sich kollektiv in einem Edelmetall bewegen, werden als Plasmonen bezeichnet. Sie werden etwa in der Katalyse oder in der Sensorik genutzt. Um die wellenartige Ausbreitung von Plasmonen an Edelmetalloberflächen zeitaufgelöst zu untersuchen, werden Laserpulse von wenigen Femtosekunden Dauer eingesetzt. Mit einer noch einmal zehnfach besseren Zeitauflösung lässt sich die Bewegung von Plasmonenwellen in einem Photoelektronenmikroskop mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in Raum und Zeit abbilden. Seit vielen Jahren entwickelt die Arbeitsgruppe um Frank Meyer zu Heringdorf diese Art der zeitaufgelösten Mikroskopie.
Jetzt ist es dem Team gelungen: Sie haben mit bislang unerreichter zeitlicher und räumlicher Präzision die elektrische Feldstruktur von Plasmonenwellen so genau gemessen, dass daraus die topologischen Eigenschaften abgeleitet werden können. „Die Topologie ist eine mathematische Theorie, in der eigentlich unterschiedliche Objekte anhand übergeordneter geometrischer Eigenschaften klassifiziert werden können“, so Meyer zu Heringdorf. „Das bekannteste Beispiel ist wohl die topologische Gleichheit einer Tasse mit Henkel und eines Donuts: Beide sind unterschiedliche Objekte, aber beide haben genau ein Loch.“
Die Wissenschaftler haben die lokale Spintextur eines Meronenpaares untersucht. Meronen sind topologisch stabile Strukturen, bei denen sich Spinvektoren in bestimmter Art und Weise anordnen. „Überträgt man die Spinvektoren auf eine Kugel und wird nur eine Kugelhälfte von Vektoren bedeckt, so entspricht die Topologie der eines Merons“, erklärt der Physiker. Ein Meronenpaar besteht aus zwei identischen Meronen. „Für unsere Experimente haben wir ultrakurze Laserpulse genutzt, um die elektrischen Felder zu messen. Die magnetischen Felder konnten wir anschließend aus den gemessenen Daten ableiten und auf dieser Grundlage das Spinmoment berechnen.“
Das Forscherteam konnte so nachweisen, dass die Topologie des Plasmons konstant ist, obwohl das elektrische wie auch das magnetische Feld mit einer Periode von 2.66 Femtosekunden schwingen und rotieren. Diese Stabilität könnte künftig helfen, Informationen sicher zu speichern oder zu übertragen, denn topologisches Licht in Glasfasern wären resistenter gegen Verluste und Störungen.
UDE / RK
