Topologische Isolatoren im Licht

  • 31. March 2014

Elektronenspins an der Oberfläche topologischer Isolatoren lassen sich gezielt mit zirkular polarisiertem UVB-Licht manipulieren.

Die erst vor wenigen Jahren entdeckte Materialklasse der Topologischen Isolatoren zeichnet sich durch erstaunliche Eigenschaften aus: Sie verhalten sich im Innern elektrisch isolierend, bilden an der Oberfläche jedoch metallisch leitende Zustände. Der Spin der Elektronen, also ihre Drehung um die eigene Achse, spielt dabei eine entscheidende Rolle. Die Drehrichtung ist hier nämlich direkt mit ihrer Bewegungsrichtung gekoppelt. Das führt sowohl zu einer hohen Stabilität der metallischen Eigenschaft wie auch zu einer besonders verlustarmen elektrischen Leitung.

Spintextur (Pfeile) eines topologischen Isolators

Abb.: Die Spintextur (Pfeile) eines topologischen Isolators (unten) lässt sich durch zirkular polarisiertes Licht entweder messen (oben) oder kontrolliert verändern (Mitte; Bild: Rader / Sánchez-Barriga / HZB)

Als besonders innovativ gilt der Ansatz, in derartigen Bauelementen den Elektronenspin an der Oberfläche mithilfe von Licht zu beeinflussen. Oliver Rader und sein Team Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben nun herausgefunden, durch welche Einflüsse sich die Spins an der Oberfläche der Topologischen Isolatoren verändern lassen. Dazu haben die Forscher Experimente mit Licht unterschiedlicher Energie beziehungsweise Wellenlänge gemacht.

An der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II untersuchten sie den Topologischen Isolator Bismutselenid (Bi2Se3) mit Hilfe der spinauflösenden Photoelektronenspektroskopie und kamen zu verblüffenden Erkenntnissen: So machte es einen wesentlichen Unterschied, ob die Elektronen an der Oberfläche des Materials mit zirkular polarisiertem Licht im vakuumultravioletten Bereich (50-70 Elektronenvolt) oder mit ultraviolettem Laserlicht (6 Elektronenvolt) anregt werden.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass sie den Spin der Elektronen bei den höheren Energien, wie sie typischerweise am Synchrotron zum Einsatz kommen, messen können, ohne ihn zu verändern. „Bei der Anregung mit 50 Elektronenvolt weisen die emittierten Elektronen die für Topologische Isolatoren typische Spintextur auf“, sagt Jaime Sánchez-Barriga, der die Messungen durchgeführt hat: „Die Spins der Elektronen laufen hier in der Oberflächenebene im Kreis.“ Dies ist der Grundzustand der Elektronen in der Oberfläche der Topologischen Isolatoren.

Bei der Anregung mit niederenergetischen zirkular polarisierten Photonen (6 Elektronenvolt) hingegen drehten sich die Spins der Elektronen komplett aus der Ebene heraus. Sie nahmen dabei sogar diejenige Spinrichtung an, die ihnen mit dem rechts- beziehungsweise linkszirkular polarisierten Licht vorgegeben wurde. Das bedeutet, dass sich der Spin gezielt manipulieren lässt – je nachdem, welches Licht zum Einsatz kommt. Das vollkommen unterschiedliche Verhalten bei unterschiedlich großen Energien können die Wissenschaftler ebenfalls erklären und auf Symmetrieeigenschaften zurückführen. „Unser Ergebnis liefert wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich in topologischen Isolatoren verlustlose Spinströme erzeugen lassen“, sagt Oliver Rader: „Das ist für die Entwicklung sogenannter optospintronischer Bauteile wichtig, die die Verarbeitungs- und Speichergeschwindigkeit von Information enorm erhöhen könnten.“

HZB / DE

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