Wendige Elektronen

In topologischen Isolatoren können Elektronen ihre Bewegungsrichtung abrupt umkehren.

Einer internationalen Forscher­gruppe ist es gelungen, die Bewegungs­richtung von Elektronen ultra­schnell umzu­drehen, ohne diese vorher abzu­bremsen. Dafür machten sich die Forscher die Eigen­schaften einer neuen Klasse von Materialien – topo­logischer Isolatoren – zu Nutze. Auf deren Ober­fläche verhalten sich Elektronen wie masse­lose Teilchen, die sich sehr schnell bewegen.

Abb.: Wenn Elektronen in topo­lo­gischen Iso­la­toren ihre...
Abb.: Wenn Elektronen in topo­lo­gischen Iso­la­toren ihre Bewe­gungs­rich­tung ab­rupt um­drehen, kommt es zu neu­artigen Licht­emis­sionen. (Bild: B. Baxley, parttowhole.com)

Um die Bewegungsrichtung der Elektronen möglichst schnell zu schalten, verwendeten die Forscher die schwingende Träger­welle von Licht wie einen starken Schubs. Wenn Elektronen abrupt wenden, entsteht ein ultra­kurzer Licht­blitz, der einen großen spektralen Bereich abdeckt und mit optischen Detektoren vermessen werden kann. Welche Wellen­längen genau emittiert werden, folgt dabei bestimmten Regeln: Normaler­weise entsteht nur Licht, dessen Schwingungs­frequenz ein ganz­zahliges Viel­faches der Frequenz des ein­fallenden Lichts beträgt. „Durch geschicktes Verändern des beschleu­ni­genden Licht­felds gelang es uns jedoch, diese Regeln zu brechen und die Bewegung der Elektronen so zu kontrol­lieren, dass Licht jeder erdenk­lichen Farbe erzeugt werden kann“, erklärt Christoph Schmid von der Uni Regensburg.

Bei der Analyse der emit­tierten Strahlung stießen die Forscher zudem auf weitere ungewöhn­liche Quanten­eigen­schaften der Elektronen. So stellte sich heraus, dass sich die Elektronen an der Oberfläche des topologischen Isolators nicht auf geraden Bahnen, sondern in Schlangen­linien durch den Festkörper bewegen. „Was die Quanten­mechanik an Erscheinungen so produziert, wenn man nur ein bisschen genauer hinschaut, lässt auch den hart­ge­sottenen Theoretiker immer wieder erstaunen“, erläutert Jan Wilhelm von der Uni Regensburg, der dieses Verhalten gemeinsam mit seinen Kollegen mittels eines eigens dafür entwickelten Simulations­verfahrens erklärt hat.

„Diese Ergebnisse vermitteln nicht nur einen faszi­nie­renden Einblick in die mikro­skopische Quanten­natur von Elektronen, sondern geben auch Anlass zur Hoffnung, dass topo­logische Isolatoren Anwendung in der Informations­ver­arbeitung der Zukunft finden könnten“, resümiert Rupert Huber von der Uni Regensburg.

U. Regensburg / RK

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