Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

Neues aus der Forschung

Meldung vom 21.12.2018

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wien wurde nun in China eine neue Untersuchungsmethode angewandt.


190108-1851_medium.jpg
 
Optische Instrumente an der TU Wien
Sun et al.
Uncover Topology by Quantum Quench Dynamics
Rev. Lett. 121, 250403 (2018)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.250403


Elektronen sind nicht bloß kleine Kügelchen, die sich wie ein Gummiball durch ein Material bewegen. Aus den Gesetzen der Quantenphysik ergibt sich, dass sich Elektronen wellenartig verteilen. Diese Wellen können in manchen Materialien eine geometrisch recht komplizierte Form annehmen. In sogenannten „topologische Materialien“ gibt es Elektronen-Zustände, die für technische Anwendungen sehr interessant sein können, allerdings ist es ausgesprochen schwierig, diese Materialien und die dazugehörigen Elektronenzustände zu identifizieren.

Von der TU Wien und mehreren Forschungsgruppen aus China wurde dazu nun eine neue Idee entwickelt und im Experiment umgesetzt. Eine Art „Kristall aus Lichtwellen“ wird erzeugt, um Atome genau im richtigen geometrischen Muster festzuhalten. Diese „Lichtkristalle“, die auch bisher schon in unterschiedlicher Form für die Manipulation von Atomen verwendet wurden, kann man nun verwenden, um das System gezielt aus dem Gleichgewicht zu bringen: Man schaltet zwischen einfachen und komplizierten Zuständen hin und her, und das System verrät dabei, ob es topologisch interessante Zustände hat oder nicht. Diese Erkenntnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.

Brötchen und Donuts

Die Bedeutung der Topologie erkennt man leicht, wenn man zu viele Dinge in die Einkaufstasche gepackt hat: Das Kuchenstück ist leicht zerquetscht und hat plötzlich dieselbe Form wie die Banane. Kuchenstück und Banane haben dieselbe geometrische Grundstruktur, sie unterscheiden sich topologisch nicht voneinander. Ein Donut hingegen hat ein Loch in der Mitte – seine Topologie ist anders. Auch wenn er leicht gequetscht wird, kann man seine Form von der des Kuchenstücks immer noch problemlos unterscheiden.

„Mit Quantenzuständen ist es so ähnlich“, erklärt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „Quantenzustände können eine nichttriviale Topologie haben, die gegenüber Störungen sehr stabil ist, auch wenn sich bestimmte Details ändern. Das macht sie technisch so interessant – denn mit Störungen hat man in jedem Experiment und in jedem technischen Gerät immer zu kämpfen.“ Im Jahr 2016 wurde der Physik-Nobelpreis für Forschung an topologischen Materialeigenschaften vergeben, doch immer noch gilt es als äußerst schwierig, bei einem bestimmten Material überhaupt festzustellen, ob es topologisch interessante Zustände zulässt oder nicht.

„Wir beschäftigen uns mit Quantenzuständen, die sich nicht im Gleichgewicht befinden, die also gerade dabei sind, sich rasch zu verändern“, sagt Jörg Schmiedmayer. „Das ist meist schwierig, aber wie wir zeigen konnten, kann man auf diese Weise oft hochinteressante Information bekommen.“ Diese Erkenntnisse aus Wien brachte Schmiedmayer nun in eine Kooperation mit Forschungsteams aus China in ein gemeinsames Projekt ein. „Geleitet wurde das Experiment von Prof. Shuai Chen, in der Forschungsgruppe von Prof. Jian-Wei Pan. Beide waren einst mein Mitarbeiter in Heidelberg, und seit ihrer Rückkehr nach China arbeiten wir eng zusammen“, berichtet Schmiedmayer. Die TU Wien und die Chinesische Universität für Wissenschaft und Technik (USTC, Heifei, China) unterzeichneten 2016 ein Kooperationsabkommen, durch das speziell im Bereich Physik die Forschungszusammenarbeit verstärkt wurde.

Das Ungleichgewicht verrät viel Neues

Mit Hilfe von Lichtwellen können Atome an bestimmten Stellen festgehalten werden, sodass ein regelmäßiges Gitter aus Atomen entsteht, ähnlich wie in einem Kristall. Indem man das Licht verändert, kann man auch die Geometrie der Atom-Anordnung umschalten, und dabei untersuchen, wie sich die Elektronen-Zustände ändern.

„Bei dieser Veränderung wird schlagartig ein massives Ungleichgewicht erzeugt“, sagt Jörg Schmiedmayer. „Die Quantenzustände müssen sich neu anordnen und ein neues Gleichgewicht anstreben, ähnlich wie Kugeln, die man von einem Hügel nach unten rollen lässt, bis sie im Tal einen Gleichgewichtszustand finden. Und wir konnten nun klare Signaturen finden, durch die uns das System genau während dieses Ungleichgewichtsprozesses verrät, ob topologisch interessante Zustände zu finden sind oder nicht.“

Für die Forschung an topologischen Materialien ist das eine wichtige neue Erkenntnis. Man könnte sogar die künstlichen Licht-Kristalle anpassen, um bestimmte Kristallstrukturen zu simulieren und dadurch neue topologische Materialien zu finden.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung