Weyl-Punkte im Infrarotlicht
11.01.2021 - Erster Nachweis optischer Weyl-Punkte in photonischen Kristallen.
Topologische Isolatoren verhindert im Inneren Stromdurchfluss, sind& dafür aber an der Oberfläche äußerst leitfähig. Die Zustände, die in dreidimensionalen Festkörpern um die Störstellen herumführen, sind wiederum an Weyl-Punkten aufgehängt. Einem Team von Wissenschaftlern an der Pennsylvania State University und der TU Kaiserslautern ist es kürzlich erstmals gelungen, diese Punkte mit Infrarotlicht sichtbar zu machen.
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Abb.: Per Feldemissionsrasterelektronenmikroskopie wird die chirale, gestapelte Strukur der photonischen Kristalle sichtbar, die die Forscher mittels Zwei-Photonen-Polymerisation hergestellt und für ihre Untersuchungen verwendet haben. (Bild: C. Jörg)
Was topologische Isolatoren ausmacht, beschreibt Physikerin Christina Jörg an einem Beispiel: „In elektronischen oder optischen Bauteilen passiert beim Leiten von Strom oder Licht genau das, was wir kennen, wenn wir bei Nebel das Fernlicht einschalten: Das Licht wird gestreut oder Lichtteilchen prallen an den Nebeltröpfchen ab und werden zurückgeworfen. Übertragen auf das Bauteil, kommt das zu leitende Signal nicht verlustfrei durch und schwächt sich auf seinem Weg ab.“ Bei topologischen Isolatoren verhält es sich anders. Hier können die Signale über die Oberfläche verlustfrei um die innenliegenden Störstellen herum fließen.
„Die besonderen Zustände, die die Umleitung ermöglichen, sind immer an ganz bestimmten Punkten in der Bandstruktur – der Straßenkarte, die beschreibt wie die Signale fließen können – aufgehängt“, erläutert Jörg weiter. „Es handelt sich dabei um Stellen, an denen sich zwei Bänder berühren. Diese Stellen heißen Weyl-Punkte. Topologische Weyl-Punkte sind äußerst robust und unempfindlich gegen äußerliche Einflüsse. In optischen Materialien waren Weyl-Punkte bislang nur schwer experimentell zugänglich, weil es, um diese frei zu beobachten, einen möglichst hohen Materialkontrast braucht.“
Das Team nutzte daher einen speziellen 3D-Drucker, um für die Forschung geeignete photonische Kristalle in einer Gesamtgröße von einem Quadratmillimeter herzustellen. Darin konnten sie erstmals quadratische optische Weyl-Punkte anhand von Infrarot-Lichtwellen nachweisen. Ein wichtiger Meilenstein: „Auch wenn wir noch nicht in den sichtbaren Bereich kommen, sind wir mit diesen Erkenntnissen deutlich näher an eine künftige Anwendung herangerückt“, fasst Jörg zusammen.
TU Kaiserslautern / JOL
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