Forscher erarbeiten eine theoretische Beschreibung lichtinduzierter topologischer Zustände

Topologische Materialien, die bestimmte Symmetrien auf atomarer Ebene besitzen, einschließlich topologischer Isolatoren und topologischer Halbmetalle, haben aufgrund ihrer komplexen elektronischen Eigenschaften bei vielen Wissenschaftlern der kondensierten Materie Faszination hervorgerufen. Nun haben Forscher in Japan gezeigt, dass ein normaler Halbleiter durch Lichteinstrahlung in ein topologisches Halbmetall umgewandelt werden kann. Außerdem zeigten sie, wie spinabhängige Reaktionen auftreten können, wenn sie mit zirkular polarisiertem Laserlicht beleuchtet werden. Veröffentlicht in Körperliche Überprüfung Buntersucht diese Arbeit die Möglichkeit, topologische Halbmetalle zu erzeugen und neue physikalische Eigenschaften durch Lichtsteuerung zu manifestieren, was eine reiche physikalische Grenze für topologische Eigenschaften eröffnen kann.

Die meisten gewöhnlichen Substanzen sind entweder elektrische Leiter wie Metalle oder Isolatoren wie Kunststoff. Im Gegensatz dazu können topologische Isolatoren ein ungewöhnliches Verhalten zeigen, bei dem elektrische Ströme entlang der Oberfläche der Probe fließen, aber nicht im Inneren. Dieses charakteristische Verhalten ist stark mit topologischen Eigenschaften verbunden, die dem elektronischen Zustand innewohnen. Darüber hinaus bietet eine neuartige Phase, die als topologisches Halbmetall bezeichnet wird, einen neuen Spielplatz für die Erforschung der Rolle der Topologie in kondensierter Materie. Über die zugrunde liegende Physik dieser Systeme wird jedoch noch nachgedacht.

Forscher der Universität Tsukuba untersuchten die Dynamik von Anregungen in Zinkarsenid (Zn3As2), wenn es mit einem Laser mit zirkularer Polarisation bestrahlt wurde. Zinkarsenid wird normalerweise als Halbleiter mit schmalem Abstand betrachtet, was bedeutet, dass sich Elektronen nicht frei bewegen können, sondern leicht durch Energie einer externen Lichtquelle angetrieben werden können. Unter den richtigen Bedingungen kann das Material einen speziellen topologischen Zustand aufweisen, der als „Floquet-Weyl-Halbmetall“ bezeichnet wird, bei dem es sich um ein mit Licht gekoppeltes topologisches Halbmetall handelt. In diesem Fall kann der elektrische Strom in Form von Quasiteilchen, sogenannten Weyl-Fermionen, transportiert werden. Da sich diese Quasiteilchen bewegen, als ob sie keine Masse hätten, und einer Streuung widerstehen, können sich Weyl-Fermionen leicht durch das Material bewegen.

„Floquet-Weyl-Halbmetalle weisen eine Handvoll seltener Eigenschaften auf, die in elektronischen Geräten genutzt werden können, darunter hohe Mobilität, titanischer magnetischer Widerstand und spinpolarisierte Ströme“, sagt der Autor Professor Ken-ichi Hino. In der aktuellen Arbeit zeigten die Forscher, dass, wenn ein linkshändig zirkular polarisierter Dauerstrichlaser mit einer Frequenz abgestimmt wird, die nahezu der Energielücke im Material entspricht, die Spin-down-Elektronen und die Spin-up-Elektronen unterschiedliche Phasen bilden, a Weyl-Halbmetall und ein Engspaltisolator. Letzteres befindet sich in der Nähe eines anderen topologischen Halbmetalls, das als Knotenlinien-Halbmetall bezeichnet wird.

„Unsere Erforschung der transienten Dynamik von Anregungen in Zinkarsenid kann das Verständnis der zugrunde liegenden Physik dieser Materialien vertiefen“, sagt Seniorautor Runnan Zhang. Diese Grundlagenforschung kann auch dazu beitragen, die Entwicklung von Techniken zur lichtinduzierten Oberflächenmagnetisierung von nichtmagnetischen Materialien zu beschleunigen.