19.05.2021 Wenden bei Höchstgeschwindigkeit

Physikerinnen und Physiker beobachten neuartige Lichtemission, wenn Elektronen in topologischen Isolatoren ihre Bewegungsrichtung abrupt umdrehen

Auf der Oberfläche eines topologischen Isolators (eingefärbte Fläche) bewegen sich Elektronen (kleine blaue Kugel) mit quasi-relativistischen Geschwindigkeiten.  Durch Beschleunigung mit einer intensiven Lichtwelle können Elektronen ultraschnell durch den sogenannten Dirac-Punkt (Spitze des Kegels) beschleunigt werden. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Elektronen abrupt umgedreht und sie bewegen sich in die gegensätzliche Richtung. Diese instantane Änderung der Geschwindigkeit führt zur Emission von breitbandiger elektromagnetischer Strahlung (Lichtblitz in der Mitte der eingefärbten Fläche). Abbildung: Brad Baxley (parttowhole.com)
Abbildung: Brad Baxley (parttowhole.com)
Auf der Oberfläche eines topologischen Isolators (eingefärbte Fläche) bewegen sich Elektronen (kleine blaue Kugel) mit quasi-relativistischen Geschwindigkeiten. Durch Beschleunigung mit einer intensiven Lichtwelle können Elektronen ultraschnell durch den sogenannten Dirac-Punkt (Spitze des Kegels) beschleunigt werden. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Elektronen abrupt umgedreht und sie bewegen sich in die gegensätzliche Richtung. Diese instantane Änderung der Geschwindigkeit führt zur Emission von breitbandiger elektromagnetischer Strahlung (Lichtblitz in der Mitte der eingefärbten Fläche).

Um die Bewegungsrichtung eines massiven Objekts, etwa eines Autos, umzudrehen, muss dieses erst abgebremst und zum Stillstand gebracht werden. Auch die kleinsten Ladungs­träger im Universum, die Elektronen, gehorchen diesen Regeln. Für künftige blitzschnelle elektronische Bau­elemente würde man diese Trägheit hingegen gerne umgehen. Lichtteilchen, die sogenannten Photonen, machen vor, wie das gehen könnte. Sie tragen überhaupt keine Masse und bewegen sich deshalb stets mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit, welche die Natur für Teilchen zulässt: der Licht­ge­schwin­digkeit. Für eine Richtungsänderung müssen sie nicht erst abgebremst werden; durch Reflexion an einem Spiegel ändern Photonen abrupt ihre Bewegungsrichtung ohne Zwischenstopp. Solche Eigenschaften sind beispielsweise für die Elektronik der Zukunft sehr wünschenswert, um die Richtung des Stroms dann unendlich schnell zu schalten und die Taktrate von Prozessoren massiv zu steigern. Photonen tragen jedoch – im Gegensatz zu Elektronen – keine elektrische Ladung, die für elektronische Bauteile wichtig wäre.

Einer Gruppe von Physikerinnen und Physiker an der Universität Regensburg, der Universität Marburg und der Rus­si­schen Akademie der Wissenschaften in Novosibirsk ist es nun gelungen, die Bewegungs­rich­tung von Elektronen ultraschnell umzu­dre­hen, ohne diese vorher abzubremsen. Dafür machten sich die For­scherinnen und For­scher die Eigenschaften einer neuen Klas­se von Materialien – sogenannter topologischer Iso­la­to­ren – zu Nutze. Auf deren Oberfläche ve­rhalten sich Elektronen wie masselose Teilchen, die sich ähn­lich wie Licht sehr schnell bewegen. Über die Ergebnisse berichtet das Forschungsteam in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“. 

Um die Bewegungsrichtung der Elektronen möglichst schnell zu schalten, verwendeten die For­scherinnen und For­scher die schwingende Trägerwelle von Licht – das schnellste vom Menschen kontrollierbare Wechselfeld der Natur – wie einen starken Schubs aus Licht. Wenn Elektronen abrupt wenden, entsteht ein ultrakurzer Lichtblitz, der einen großen spek­tra­len Bereich ähnlich wie ein Regenbogen abdeckt und mit optischen Detektoren vermessen wer­den kann. Welche Farben 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 Erstautor der Publikation Christoph Schmid vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg.

Bei der genauen Analyse der emittierten Strahlung stießen die For­scherinnen und 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 bewegen.  

„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 Professor Dr. Rupert Huber, Leiter der experimentellen Studien in Regensburg. Das perfekte Umfeld für solche Am­bi­tio­nen bietet der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Regensburger Son­der­for­schungs­bereich SFB 1277 über neuartige relativistische Effekte in Festkörpern.

Auch für den Marburger Sonderforschungsbereich SFB 1083 „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ stellt die neuartige Lichtemission nach Einschätzung von SFB-Sprecher Professor Dr. Ulrich Höfer eine wegweisende Entdeckung dar. Gemeinsam mit Professor Dr. Jens Güdde will er den Effekt in der kommenden, dritten Förderphase des SFB 1083 nutzen, um Streuprozesse von Elektronen an Grenzflächen von topologischen Isolatoren zu untersuchen, die unter einer isolierenden Schutzschicht vergraben sind. Für die praktische Anwendbarkeit in künftigen elektronischen Bauelementen kommt es entscheidend darauf an, die ungewöhnliche Elektronenbewegung  von Umgebungseinflüssen zu schützen. Der Sonderforschungsbereich unterstützte die zugrunde liegende Forschungsarbeit finanziell.

(Pressetext: Katrin Groß, Universität Regensburg)

Originalpublikation: Christoph P. Schmid & al.: „Tuneable non-integer high-harmonic generation in a topological insulator“, Nature 2021, DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03466-7

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