Visualisierung der Topologie von Elektronen mit einer „3D-Brille“

Sie gelten als Hoffnungsträger für energiesparende Elektronik und die Hightech der Zukunft: topologische Quantenmaterialien. Eine ihrer Eigenschaften ist die Leitung spinpolarisierter Elektronen auf ihrer Oberfläche – obwohl sie im Inneren eigentlich nicht leitend sind. Zur Einordnung: Bei spinpolarisierten Elektronen ist der Eigendrehimpuls, also die Drehrichtung der Teilchen (Spin), nicht rein zufällig ausgerichtet.

Um topologische Materialien von herkömmlichen zu unterscheiden, untersuchten Wissenschaftler früher deren Oberflächenströme. Allerdings ist die Topologie eines Elektrons eng mit seinen quantenmechanischen Welleneigenschaften und seinem Spin verknüpft. Dieser Zusammenhang konnte nun anhand des photoelektrischen Effekts direkt nachgewiesen werden – einem Phänomen, bei dem mit Hilfe von Licht Elektronen aus einem Material, beispielsweise einem Metall, freigesetzt werden.

Prof. Giorgio Sangiovanni, Gründungsmitglied von ct.qmat in Würzburg und einer der theoretischen Physiker im Projekt, verglich diese Entdeckung mit der Verwendung von 3D-Brillen zur Visualisierung der Topologie von Elektronen. Er erklärt: „Elektronen und Photonen können quantenmechanisch sowohl als Wellen als auch als Teilchen beschrieben werden. Daher haben Elektronen einen Spin, den wir dank des photoelektrischen Effekts messen können.“

Dazu nutzte das Team zirkular polarisiertes Röntgenlicht – Lichtteilchen, die ein Drehmoment besitzen. Sangiovanni führt aus: „Wenn ein Photon auf ein Elektron trifft, hängt das vom Quantenmaterial kommende Signal davon ab, ob das Photon eine rechts- oder linksdrehende Polarisation hat.“

„Mit anderen Worten: Die Ausrichtung des Elektronenspins bestimmt die relative Stärke des Signals zwischen links- und rechtspolarisierten Strahlen. Daher kann man sich dieses Experiment wie eine polarisierte Brille in einem 3D-Kino vorstellen, in der unterschiedlich ausgerichtete Lichtstrahlen vorhanden sind.“ auch genutzt. Unsere „3D-Brille“ macht die Topologie von Elektronen sichtbar.“

Unter der Leitung des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterie – ist dieses bahnbrechende Experiment und seine theoretische Beschreibung der erste erfolgreiche Versuch, Quantenmaterialien topologisch zu charakterisieren. Sangiovanni weist auf die wesentliche Rolle eines Teilchenbeschleunigers im Experiment hin: „Wir brauchen den Synchrotron-Teilchenbeschleuniger, um dieses spezielle Röntgenlicht zu erzeugen und den 3D-Kinoeffekt zu erzeugen.“

Quantenmaterie, Teilchenbeschleuniger und Supercomputer

Der Weg zu diesem monumentalen Erfolg erstreckte sich für die Forscher über einen Zeitraum von drei Jahren. Ihr Ausgangspunkt war das Kagome-Metall TbV6Sn6, ein Quantenmaterial. Bei dieser besonderen Materialklasse besteht das Atomgitter aus einer Mischung aus Dreiecks- und Wabengittern in einer Struktur, die an ein japanisches Korbgeflecht erinnert. Kagome-Metalle spielen eine wichtige Rolle in der Materialforschung von ct.qmat.

„Bevor unsere experimentellen Kollegen mit dem Synchrotron-Experiment beginnen konnten, mussten wir die Ergebnisse simulieren, um sicherzustellen, dass wir auf dem richtigen Weg waren. Im ersten Schritt entwickelten wir theoretische Modelle und führten Berechnungen auf einem Supercomputer durch“, sagt Dr. Domenico di Sante , der Projektleiter und theoretische Physiker, der außerdem assoziiertes Mitglied des Würzburger Sonderforschungsbereichs (SFB) 1170 ToCoTronics ist.

Die Ergebnisse der Messungen stimmten perfekt mit den theoretischen Vorhersagen überein und ermöglichten es dem Team, die Topologie der Kagome-Metalle zu visualisieren und zu bestätigen.

Das Papier ist auf der veröffentlicht Zenodo Preprint-Server.