Bis zum Limit

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Topologische Materialien zeigen seltsames Elektronenverhalten.

Topologische Materialien zeigen seltsames Elektronenverhalten.

Topologische Materialen sind eine neue Klasse von Materialien, die völlig neue Arten von elektronischen Bauteilen und Supraleitern ermöglichen könnten. In topologischen Materialien können sich Elektronen anders verhalten als in konventionellen. Das Ausmass dieser «exotischen» Phänomene hängt von der so genannten Chern-Zahl ab. Neue Experimente haben nun gezeigt, dass der theoretisch vorausgesagte maximale Wert der Chern-Zahl in einem realen Material erreicht und sogar kontrolliert werden kann.

Als die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften den Nobelpreis für Physik 2016 an David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz verlieh, lobten sie das Trio dafür, «die Tür zu einer unbekannten Welt geöffnet zu haben, in der die Materie seltsame Zustände annehmen kann». Die Entdeckung topologischer Phasen der Materie und topologischer Phasenübergänge, zu denen die drei Theoretiker so entscheidend beigetragen haben, sind keineswegs eine Kuriosität, sondern haben sich zu einem der aktivsten Forschungsgebiete der Physik der kondensierten Materie entwickelt. Topologische Materialien versprechen zum Beispiel neuartige elektronische Komponenten und Supraleiter, und sie bergen tiefe Verbindungen über verschiedene Bereiche der Physik und Mathematik hinweg.

Während Forschende routinemässig neue Phänomene bei topologischen Materialien entdecken, sind einige grundlegende Aspekte dieser neuarteigen Materialklasse noch unklar. Einer davon ist die Frage, wie «stark» topologische Phänomene in einem realen Material sein können. Mit dieser Frage befassen sich die Empa-Forscher Samuel Stolz und Roland Widmer in einem internationalen Forscherteam unter Leitung des PSI-Forschers Niels Schröter. Im renommierten Wissenschaftsmagazin «Science» berichten sie über Experimente, die zeigen, dass im topologischen Halbmetall Palladium-Gallium (PdGa) einer der gebräuchlichsten Parameter topologischer Phänomene, die «Chern-Zahl», den höchsten Wert erreichen kann, der in metallischen Kristallen zulässig ist. Dass dies in einem realen Material möglich ist, wurde bisher noch nie gezeigt. Darüber hinaus ist es dem Team auch gelungen, das Vorzeichen der Chern-Zahl zu kontrollieren, was neue Möglichkeiten zur Erforschung und Ausnutzung topologischer Phänomene eröffnen könnte.

Die Theorie über topologische Materialien besagt, dass in derartigen Halbmetallen die Chern-Zahl den Wert von 4 nicht überschreiten kann. Als mögliche Materialien, die Phänomene mit maximalen Chern-Zahlen zeigen, gelten chirale Kristalle. Dabei handelt es sich um Materialien, deren Gitterstrukturen eine Händigkeit aufweisen - in anderen Worten, wie eine linke und ein rechte Hand können sie sich durch keine Kombination von Rotationen und Translationen in ihr Spiegelbild verwandeln.

Bislang wurden bereits mehrere Kandidaten untersucht; ein schlüssiger experimenteller Nachweis einer Chern-Zahl von +4 oder -4 blieb jedoch aus. Die bisherigen Bemühungen wurden vor allem durch zwei Faktoren behindert. Erstens muss eine so genannte Spin-Bahn-Kopplung vorhanden sein, damit die Chern-Zahl ihren Maximalwert erreichen kann. Zumindest in einigen der bisher untersuchten Materialien ist diese Kopplung aber relativ schwach, so dass es schwierig ist, die entsprechenden Aufspaltungen aufzulösen. Zweitens war die Präparation sauberer, ebener Oberflächen relevanter Kristalle eine grosse Herausforderung; als Folge davon neigten spektroskopische Signaturen dazu, ausgewaschen zu werden.

Die Forschungsgruppe konnte diese beiden Einschränkungen nun durch Experimente mit PdGa-Kristallen überwinden. Das Material weist eine starke Spin-Bahn-Kopplung auf, und es existieren gut etablierte Methoden zur Herstellung makelloser Oberflächen. Zudem verfügten die Forscher mit der «Advanced Resonant Spectroscopies» (ADRESS) Beamline der «Swiss Light Source» (SLS) am PSI über einzigartige Möglichkeiten für hochauflösende winkelaufgelöste Photonenspektroskopie-Experimente und damit zur Auflösung der theoretisch vorhergesagten spektroskopischen Muster. In Kombination mit weiteren Messungen an der «Diamond Light Source» (UK) sowie mit Computerberechnungen ergaben sich klare Signaturen in der elektronischen Struktur von PdGa, die keinen Zweifel daran liessen, dass die maximale Chern-Zahl realisiert wurde.

Das Team ging noch einen Schritt weiter. Sie zeigten, dass die chirale Natur der PdGa-Kristalle eine Möglichkeit bietet, sogar das Vorzeichen der Chern-Zahl zu kontrollieren. Um dies zu demonstrieren, züchteten sie Kristalle, die entweder nur linksoder aber nur rechtshändig waren. Als sie dann die elektronischen Strukturen dieser beiden «Enantiomere» - so nennt man die Spiegelbildformen - betrachteten, stellten sie fest, dass sich die Chiralität der Kristalle in der Chiralität der elektronischen Wellenfunktion widerspiegelt. Das heisst, dass in chiralen Halbmetallen deren Händigkeit zur Steuerung topologischer Phänomene genutzt werden kann.

Diese Art der Steuerung eröffnet eine Fülle neuer Möglichkeiten. So ist etwa zu erwarten, dass an der Grenzfläche zweier Enantiomeren, eines mit einer Chern-Zahl von +4, das andere mit -4, neuartige Effekte auftreten. Und auch für praktische Anwendungen gibt es neue Aussichten: Chirale topologische Halbmetalle können faszinierende Phänomene wie quantisierte Photoströme beherbergen. Interessanterweise ist PdGa für seine katalytischen Eigenschaften bekannt, was die Frage nach der Rolle der topologischen Phänomene in solchen Prozessen aufwirft. Schliesslich ergeben sich die jetzt anhand von PdGa gewonnenen Erkenntnisse aus den elektronischen Bandeigenschaften, die vielen anderen chiralen Verbindungen gemeinsam sind - was bedeutet, dass die «unbekannte Welt, in der Materie seltsame Zustände annehmen kann» und in die sich das Forschungsteam nun gewagt hat, vermutlich noch viel mehr zu bieten hat.