11.01.2021

Weyl-Punkte im Infrarotlicht

Erster Nachweis optischer Weyl-Punkte in photonischen Kristallen.

Topologische Isolatoren verhindert im Inneren Strom­durchfluss, sind& dafür aber an der Oberfläche äußerst leitfähig. Die Zustände, die in drei­dimensionalen Festkörpern um die Störstellen herumführen, sind wiederum an Weyl-Punkten aufgehängt. Einem Team von Wissen­schaftlern an der Pennsylvania State University und der TU Kaisers­lautern ist es kürzlich erstmals gelungen, diese Punkte mit Infrarot­licht sichtbar zu machen. 

Abb.: Per Feld­emissionsraster­elektronen­mikroskopie wird die chirale,...
Abb.: Per Feld­emissionsraster­elektronen­mikroskopie wird die chirale, gestapelte Strukur der photo­nischen Kristalle sichtbar, die die Forscher mittels Zwei-Photonen-Poly­merisation hergestellt und für ihre Unter­suchungen verwendet haben. (Bild: C. Jörg)

Was topo­logische Isolatoren ausmacht, beschreibt Physikerin Christina Jörg an einem Beispiel: „In elektronischen oder optischen Bauteilen passiert beim Leiten von Strom oder Licht genau das, was wir kennen, wenn wir bei Nebel das Fernlicht einschalten: Das Licht wird gestreut oder Lichtteilchen prallen an den Nebel­tröpfchen ab und werden zurück­geworfen. Übertragen auf das Bauteil, kommt das zu leitende Signal nicht verlustfrei durch und schwächt sich auf seinem Weg ab.“ Bei topo­logischen Isolatoren verhält es sich anders. Hier können die Signale über die Oberfläche verlustfrei um die innen­liegenden Störstellen herum fließen.

„Die besonderen Zustände, die die Umleitung ermöglichen, sind immer an ganz bestimmten Punkten in der Bandstruktur – der Straßenkarte, die beschreibt wie die Signale fließen können – aufgehängt“, erläutert Jörg weiter. „Es handelt sich dabei um Stellen, an denen sich zwei Bänder berühren. Diese Stellen heißen Weyl-Punkte. Topo­logische Weyl-Punkte sind äußerst robust und unempfindlich gegen äußerliche Einflüsse. In optischen Materialien waren Weyl-Punkte bislang nur schwer experi­mentell zugänglich, weil es, um diese frei zu beobachten, einen möglichst hohen Material­kontrast braucht.“

Das Team nutzte daher einen speziellen 3D-Drucker, um für die Forschung geeignete photonische Kristalle in einer Gesamtgröße von einem Quadrat­millimeter herzustellen. Darin konnten sie erstmals quadratische optische Weyl-Punkte anhand von Infrarot-Licht­wellen nachweisen. Ein wichtiger Meilen­stein: „Auch wenn wir noch nicht in den sichtbaren Bereich kommen, sind wir mit diesen Erkennt­nissen deutlich näher an eine künftige Anwendung heran­gerückt“, fasst Jörg zusammen.

TU Kaiserslautern / JOL

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