„3D-Brille“ für topologisches Quantenmaterial: Hightech-Forschung mit Licht

Überblick

Mit Lichtteilchen erzeugen Forschende 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. Die Ergebnisse wurden im Journal Nature Physics veröffentlicht.

Nachweis gelungen

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.

Per 3D-Brille Topologie der Elektronen sichtbar machen

„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 Prof. Giorgio Sangiovanni, Gründungsmitglied von ct.qmat am Standort Würzburg, der zu den theoretischen Physiker:innen 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 Prof. Sangiovanni. Dabei kam ein Teilchenbeschleuniger zum Einsatz. „Den Synchrotron-Teilchenbeschleuniger benötigen wir, um dieses spezielle Röntgenlicht zu erzeugen und den 3D-Kinoeffekt zu erzielen.“

Quantenmaterial, Teilchenbeschleuniger, Supercomputer

Insgesamt drei Jahre haben die Forschenden 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 Kolleg:innen 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:innen die Topologie der Kagome-Metalle sichtbar machen und nachweisen.

Internationales Forschungsnetzwerk

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 Prof. Sangiovanni.