Neuartiger topologischer Isolator

Erstmals topologischen Isolator gebaut, in dem nicht Elektronen oder Licht fließen, sondern Teilchen aus Licht und Materie

15.10.2018 - Deutschland

topologische Isolatoren sind Materialien mit sehr speziellen Eigenschaften. Sie leiten elektrischen Strom oder Lichtteilchen nur an ihrer Oberfläche oder an ihren Kanten weiter, nicht aber in ihrem Inneren. Dieses ungewöhnliche Verhalten könnte einmal zu technischen Innovationen führen, und darum werden topologische Isolatoren seit einigen Jahren weltweit intensiv erforscht.

Eine Neuerung stellen nun Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) jetzt mit Fachkollegen vom Technion in Haifa (Israel) und Singapur in der Zeitschrift „Nature“ vor. Das Team hat erstmals einen topologischen Isolator realisiert, an dessen Kanten sich Exziton-Polaritonen fortbewegen. Vereinfacht gesagt sind das Teilchen, in denen Licht und Materie (Photonen und Elektronen) eng aneinander gekoppelt sind.

Neuheit birgt doppeltes Potenzial

In einem derartigen topologischen Isolator steckt doppeltes Potenzial, erklärt Professor Sven Höfling, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Physik an der JMU: „Man könnte ihn sowohl für schaltbare elektronische Systeme als auch für Laser-Anwendungen nutzen.“ Mit den bislang realisierten topologischen Isolatoren, die entweder auf Elektronen oder Lichtteilchen basieren, wäre jeweils nur eine Anwendung möglich.

Dr. Sebastian Klembt, Leiter einer Arbeitsgruppe an Höflings Lehrstuhl, war federführend bei diesem Projekt. Er beschreibt weitere Details: Der neuartige topologische Isolator wurde auf einen Mikrochip gebaut und besteht im Wesentlichen aus dem Verbindungshalbleiter Gallium-Arsenid. Er besitzt eine Honigwaben-Struktur und ist aus vielen kleinen Säulen aufgebaut. Dabei hat jede Säule einen Durchmesser von zwei Mikrometern (zwei Millionstel Meter).

Transportrichtung ist kontrollierbar

Wird diese Mikrostruktur mit Laserlicht angeregt, entstehen darin Licht-Materie-Teilchen, und zwar ausschließlich an den Kanten. Die Teilchen wandern dann an den Kanten entlang, auch um die Ecken herum, und das relativ verlustarm. „Mit einem Magnetfeld können wir die Transportrichtung der Teilchen kontrollieren und auch umkehren“, sagt Klembt.

Ein fein ausgeklügeltes System also, das in anwendungsnahen Dimensionen – auf einem Mikrochip – funktioniert und in dem man Licht kontrollieren kann. Das ist normalerweise nicht so einfach möglich: Reine Lichtteilchen besitzen keine elektrische Ladung und lassen sich darum nicht ohne weiteres mit elektrischen oder magnetischen Feldern steuern. Mit dem neuen topologischen Isolator aus Würzburg aber geht das – Licht lässt sich damit sozusagen auch „um die Ecke schicken“.

Originalveröffentlichung

S. Klembt, T. H. Harder, O. A. Egorov, K. Winkler, R. Ge, M. A. Bandres, M. Emmerling, L. Worschech, T. C. H. Liew, M. Segev, C. Schneider & S. Höfling; "Exciton-polariton topological insulator"; Nature; 8. Oktober 2018

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