Forschung

Rasantes Rechnen mit Antimon

28.07.2021 - Topologisches Material für spintronische Anwendungen untersucht.

Ein Team um den Physiker Jaime Sánchez-Barriga vom Helmholtz Zentrum Berlin HZB hat neue Einblicke in die ultraschnelle Anregung und Reaktion von toplogischen Zuständen der Materie auf Femto­sekunden-Laser­anregung gewonnen. Mit zeit- und spinaufgelösten Methoden untersuchten die Physiker an Bessy II, wie das komplexe Wechselspiel im Verhalten angeregter Elektronen im Volumen und an der Oberfläche nach optischer Anregung zu einer unge­wöhnlichen Spindynamik führt. Die Arbeit ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu spin­tronischen Bauelementen auf Basis topo­logischer Materialien für die ultraschnelle Informations­verarbeitung.

In topologischen Isolatoren bewegen sich Elektronen in bestimmten Quanten­zustände wie masselose Teilchen an der Oberfläche völlig frei, während Elektronen im Material­volumen nicht beweglich sind. Darüber hinaus sind die Leitungselektronen in der „Haut“ des Materials grundsätzlich spin­polarisiert und bilden robuste, metallische Oberflächenzustände, die als Kanäle genutzt werden könnten, um Spinströme auf Femto­sekunden-Zeitskalen zu erzeugen. Diese Eigenschaften von topo­logischen Materialien eröffnen neue Möglichkeiten für neue Informations­technologien wie die ultraschnelle Spintronik, für die der Spin der Elektronen auf ihren Oberflächen und nicht die Ladung ausgenutzt wird.

Insbesondere die optische Anregung durch Femto­sekunden-Laserpulse in diesen Materialien wäre eine interessante Option, um Spin-Informationen verlustfreie und etwa tausendmal schneller zu übertragen. Allerdings sind noch viele Fragen zu klären, bevor spin­tronische Bauelemente entwickelt werden können. Zum Beispiel, wie genau die Volumen- und Oberflächen­elektronen eines top­logischen Materials auf Laserpulse reagieren und wie stark sich ihr kollektives Verhalten auf ultra­kurzen Zeitskalen überschneidet.

aime Sánchez-Barriga und Kollegen untersuchten Ein­kristalle aus elementarem Antimon, von dem man annahm, dass es ein topo­logisches Material ist. „Es ist eine gute Strategie, interessante Physik in einem einfachen System zu untersuchen, denn dort können wir hoffen, die grund­legenden Prinzipien zu verstehen", erklärt Sánchez-Barriga. „Um die topo­logischen Eigenschaften dieses Materials experim­entell nachzuweisen, mussten wir die elek­tronische Struktur in einem hoch angeregten Zustand mit Zeit-, Spin-, Energie- und Impuls­auflösung analysieren. Auf diese Weise erhielten wir Zugang zu einer ungewöhnlichen Elektronen­dynamik“, sagt der Physiker.

Ziel war es, zu verstehen, wie schnell angeregte Elektronen im Volumen und an der Oberfläche von Antimon auf den Energie­eintrag von außen reagieren, und die Mechanismen zu erforschen, die ihre Reaktion steuern. „Wir konnten ein voll­ständiges zeit­aufgelöstes Bild davon erstellen, wie angeregte Zustände auf ultraschnellen Zeitskalen das Gleich­gewicht verlassen und wieder zurückkehren. Die einzigartige Kombination von zeit- und spin-aufge­lösten Messungen erlaubte es uns auch, die Spin-Polari­sation von angeregten Zuständen weit außerhalb des Gleich­gewichts direkt zu untersuchen“, sagt Oliver J. Clark. 

Die Daten zeigen einen Knick in den Energie-Impuls-Kurven der Oberflächen­zustände, der als Zunahme der effektiven Elektronen­masse interpretiert werden kann. Diese Massen­erhöhung bestimmt das komplexe Wechselspiel im dynamischen Verhalten von Elektronen aus dem Volumen und der Oberfläche nach der ultra­schnellen optischen Anregung entscheidend mit, auch in Abhängig­keit von ihrem Spin. „Unsere Forschung zeigt, welche Eigenschaften dieser Material­klasse der Schlüssel sind, um die relevanten Zeitskalen, in denen verlustfreie spin­polarisierte Ströme erzeugt und manipuliert werden können, systematisch zu kontrollieren“, erklärt Sánchez-Barriga. Dies sind wichtige Schritte auf dem Weg zu spin­tronischen Bauelementen, auf Basis topo­logischer Materialien für die ultra­schnelle Informations­verarbeitung.

HZB / JOL

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