Physiker sagen Existenz eines neuen Exzitonentyps voraus

Bruno Uchoa, Professor für Festkörperphysik, und Hong-yi Xie, Postdoktorand für Festkörperphysik an der University of Oklahoma, haben veröffentlicht Recherche in der Zeitschrift Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften das die Existenz einer neuen Art von Exzitonen vorhersagt. Diese Teilchen könnten zur Weiterentwicklung zukünftiger Quantengeräte führen.

Exzitonen entstehen, wenn sich Elektronen und die von ihnen gebildeten Löcher, die entgegengesetzt geladen sind, miteinander verbinden. Exzitonen werden schon seit langem in Isolatoren und Halbleitern beobachtet, den Materialien, aus denen moderne Computer bestehen. In dieser Veröffentlichung haben Uchoa und Xie die Existenz eines neuen Typs von Exzitonen mit endlicher Wirbelstärke vorhergesagt, ein sogenanntes „topologisches Exziton“, das in einer Klasse von Materialien vorkommt, die als Chern-Isolatoren bekannt sind.

Topologie ist ein Zweig der Mathematik, der sich mit den Eigenschaften von Formen und Oberflächen beschäftigt, die sich nicht verändern, selbst wenn sie gedehnt, verdreht oder gebogen werden. Ein Donut mit einem Loch in der Mitte und eine Tasse mit einem Loch im Henkel beschreiben beispielsweise beide Oberflächen, die zur gleichen topologischen Klasse gehören, da jede von ihnen kontinuierlich in die andere verformt werden kann.

Wissenschaftler verwenden topologische Konzepte, um Materialien zu beschreiben, deren elektronische Eigenschaften nicht von Unvollkommenheiten beeinflusst werden. Churn bezeichnet eine Klasse in der Topologie, in der die wichtigsten Merkmale von Formen durch ganze Zahlen dargestellt werden können.

„Chern-Isolatoren sind Materialien, die es Elektronen ermöglichen, an den Rändern eines Materials zu kreisen, aber intern keinen Strom leiten“, sagte Uchoa. „Sie bilden jedoch spontan unidirektionale Ströme, die entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn entlang der Ränder eines zweidimensionalen Materials fließen. Diese Einwegströme werden in Basiseinheiten des Stroms genau gemessen.“

In dieser Arbeit sagten Uchoa und Xie voraus, dass Exzitonen, die durch Lichteinfall durch Chern-Isolatoren erzeugt werden, unter genau definierten Bedingungen die nicht trivialen topologischen Eigenschaften der Elektronen und Löcher im Wirtsmaterial übernehmen würden. Diese Vorhersage ist aussagekräftig, weil sie auf fundamentalen Konzepten und nicht auf Computersimulationen basiert.

„In Isolatoren regt Licht Elektronen aus dem Valenzband, in dem sie sich normalerweise aufhalten, in das Leitungsband an, in dem sie sich frei bewegen können“, sagte Unchoa. „Wenn diese beiden Bänder topologisch verschieden sind, sind die resultierenden Exzitonen selbst topologisch. Sobald diese Exzitonen durch Freisetzung von Energie zerfallen, wurde vorhergesagt, dass sie spontan zirkular polarisiertes Licht aussenden.“

Laut Xie könnten diese topologischen Exzitonen dazu verwendet werden, eine neue Klasse optischer Geräte zu entwickeln. Bei niedrigen Temperaturen könnten Exzitonen eine neue Art von neutralem Suprafluid bilden, mit dem leistungsstarke polarisierte Lichtemitter oder fortschrittliche photonische Geräte für die Quanteninformatik hergestellt werden könnten.

„Die Vorhersage dieses zusammengesetzten Teilchens könnte dabei helfen, neue optoelektronische Geräte auf Basis der Topologie zu entwickeln“, sagte Uchoa. „Sie könnte nicht nur bei Anwendungen in der Quantenkommunikation hilfreich sein, sondern auch dabei helfen, Qubits zu konstruieren, die zwei verschränkte Zustände haben, ein und aus, basierend auf der Wirbelstärke oder Polarisation des emittierten Lichts. Ich bin sehr gespannt auf diese Möglichkeiten.“