Wissenschaft

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). (Foto: Brad Baxley/parttowhole.com)

18.05.2021

Wenden bei Höchstgeschwindigkeit

Vision für die künftige Informationsverarbeitung: ein Forschugnsteam beobachtet, wie sich Elektronen auf topologischen Isolatoren bewegen

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: mit 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 wünschenswert, um die Richtung des Stroms dann unendlich schnell zu schalten und die Taktrate von Prozessoren massiv zu steigern. Photonen tragen allerdings – im Gegensatz zu Elektronen – keine elektrische Ladung, die für elektronische Bauteile wichtig wäre.

Einer Gruppe von Physikerinnen und Physikern  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 das Forschungsteam 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 liest man in der aktuellen Ausgabe der renommierten 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 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 vom Institut für Theoretische Physik der Universität Regensburg, der dieses Verhalten gemeinsam mit seinem Team 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, Leiter der experimentellen Studien in Regensburg.

Das perfekte Umfeld für solche Ambitionen bietet der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Regensburger Sonderforschungsbereich SFB 1277. Experimentell und theoretisch arbeitende
Physikerinnen und Physiker erforschen darin in engen Kooperationen neuartige relativistische Effekte in Festkörpern und loten Möglichkeiten aus, diese Entdeckungen für künftige Anwendungen in der Hochtechnologie von morgen einzusetzen. (BSZ)

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