19.07.2023

Topologie mit photoelektrischen Effekt getestet

Wichtiges Merkmal topologischer Materialien experimentell nachgewiesen.

Mit Lichtteilchen erzeugen Forscher Effekte wie im 3D-Kino, kommen so dem Verhalten der Elektronen auf die Spur und beim Verständnis von Quanten­materialien einen Schritt weiter. Diese Werkstoffe gelten als vielversprechend für energie­sparende Elektronik und die Hightech der Zukunft. Voraussetzung dafür sind topologische Eigenschaften, die sich bislang selten direkt messen ließen. Einem internationalen Wissenschafts­team ist es gemeinsam mit dem Würzburg-Dresdner Exzellenz­cluster ct.qmat erstmals gelungen, eines der zugrunde­liegenden Merkmale der topologischen Materialien experimentell zu bestätigen.

 

Abb.: „3D-Brille“ für topologisches Quanten­material (Bild: J. Bandmann /...
Abb.: „3D-Brille“ für topologisches Quanten­material (Bild: J. Bandmann / ct.qmat)

Zu den aussichtsreichen Eigenschaften topologischer Quanten­materialien gehört die Leitung von spinpolarisierten Elektronen auf ihrer Oberfläche, obwohl sie in ihrem Inneren nicht leitend sind. Bei spinpolarisierten Elektronen ist der Eigen­drehimpuls – also der Drehsinn der Teilchen (Spin) – nicht rein zufällig ausgerichtet.

Um topologische Materialien von herkömmlichen zu unterscheiden, untersuchte man bisher ihre Oberflächenströme. Die Topologie der Elektronen ist jedoch eng mit ihren quantenmechanischen Wellen­eigenschaften und ihrem Drehsinn verknüpft. Diesen hat man nun direkt mittels photo­elektrischem Effekt nachgewiesen. Beim Photo­effekt werden Elektronen mithilfe von Licht zum Beispiel aus einem Metall gelöst.

„Weil sich Elektronen und Photonen quantenmechanisch sowohl als Welle als auch als Teilchen beschreiben lassen, können Elektronen einen Drehsinn besitzen – und der kann dank des photoelektrischen Effekts gemessen werden“, erläutert Giorgio Sangiovanni, Gründungs­mitglied von ct.qmat am Standort Würzburg, der zu den theoretischen Physikern im Projekt gehört. „Dafür haben wir zirkular polarisiertes Röntgenlicht verwendet – also Lichtteilchen, die einen Drehmoment besitzen. Wenn ein rechtsdrehendes Photon auf ein Elektron mit linkem Drehsinn trifft, so löschen sich ihre Drehsinne gegenseitig aus. Das Elektron wird nicht freigesetzt. Anders verhält es sich, wenn Elektron und Photon den gleichen Drehsinn aufweisen. Das Signal für links- und rechts­polarisierte bzw. -ausgerichtete Strahlung ist bei Elektronen mit starkem Drehsinn unterschiedlich. Daher kann man sich dieses Experiment vorstellen wie eine Polarisationsbrille im 3D-Kino – auch hier werden unterschiedlich ausgerichtete Strahlen eingesetzt. Unsere ‚3D-Brille’ macht die Topologie der Elektronen sichtbar.“

Unter Federführung des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quanten­materialien sei es erstmals gelungen, ein solches Experiment samt theoretischer Beschreibung zu verwirklichen sowie Quanten­materialien topologisch zu charakterisieren, so Sangiovanni. Dabei kam ein Teilchen­beschleuniger zum Einsatz. „Den Synchrotron-Teilchenbeschleuniger benötigen wir, um dieses spezielle Röntgenlicht zu erzeugen und den 3D-Kinoeffekt zu erzielen.“

Insgesamt drei Jahre haben die Forscher bis zum Erfolg gebraucht. Als Ausgangsstoff wählten sie das Kagome-Metall TbV6Sn6, ein Quantenmaterial. Bei dieser besonderen Material­klasse weist das Atomgitter eine Mischung aus Dreiecks- und Honigwaben­gitter auf. Diese Struktur erinnert an ein japanisches Korbgeflecht. Kagome-Metalle spielen in der Materialforschung von ct.qmat eine wichtige Rolle. „Bevor unsere experimentell tätigen Kollegen das Experiment am Synchrotron durchführen konnten, mussten wir die Ergebnisse simulieren. So haben wir sichergestellt, dass wir der richtigen Spur folgen. Wir haben also zunächst theoretische Modelle entwickelt und am Supercomputer berechnet“, so der theoretische Physiker und Projektleiter Domenico di Sante, assoziiertes Mitglied des Würzburger Sonder­forschungs­bereichs (SFB) 1170 „ToCoTronics“. Die Messergebnisse entsprachen der Theorie, damit konnten die Wissenschaftler die Topologie der Kagome-Metalle sichtbar machen und nachweisen.

An dem Forschungsprojekt waren internationale Wissenschaftler:innen aus Italien (Bologna, Mailand, Triest, Venedig), Großbritannien (St. Andrews), den USA (Boston, Santa Barbara) und Würzburg beteiligt. Der Supercomputer für die Simulationen befindet sich in München, die Synchrotron-Experimente wurden in Triest durchgeführt. „Die Forschungs­ergebnisse sind ein Parade­beispiel dafür, was theoretische und experimentelle Physik gemeinsam leisten können“, meint Sangiovanni.

ct.qmat / DE

 

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