Wendige Elektronen
In topologischen Isolatoren können Elektronen ihre Bewegungsrichtung abrupt umkehren.
Einer internationalen Forschergruppe ist es gelungen, die Bewegungsrichtung von Elektronen ultraschnell umzudrehen, ohne diese vorher abzubremsen. Dafür machten sich die Forscher die Eigenschaften einer neuen Klasse von Materialien – topologischer Isolatoren – zu Nutze. Auf deren Oberfläche verhalten sich Elektronen wie masselose Teilchen, die sich sehr schnell bewegen.
Um die Bewegungsrichtung der Elektronen möglichst schnell zu schalten, verwendeten die Forscher die schwingende Trägerwelle von Licht wie einen starken Schubs. Wenn Elektronen abrupt wenden, entsteht ein ultrakurzer Lichtblitz, der einen großen spektralen Bereich abdeckt und mit optischen Detektoren vermessen werden kann. Welche Wellenlängen genau emittiert werden, folgt dabei bestimmten Regeln: Normalerweise entsteht nur Licht, dessen Schwingungsfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des einfallenden Lichts beträgt. „Durch geschicktes Verändern des beschleunigenden Lichtfelds gelang es uns jedoch, diese Regeln zu brechen und die Bewegung der Elektronen so zu kontrollieren, dass Licht jeder erdenklichen Farbe erzeugt werden kann“, erklärt Christoph Schmid von der Uni Regensburg.
Bei der Analyse der emittierten Strahlung stießen die Forscher zudem auf weitere ungewöhnliche Quanteneigenschaften der Elektronen. So stellte sich heraus, dass sich die Elektronen an der Oberfläche des topologischen Isolators nicht auf geraden Bahnen, sondern in Schlangenlinien durch den Festkörper bewegen. „Was die Quantenmechanik an Erscheinungen so produziert, wenn man nur ein bisschen genauer hinschaut, lässt auch den hartgesottenen Theoretiker immer wieder erstaunen“, erläutert Jan Wilhelm von der Uni Regensburg, der dieses Verhalten gemeinsam mit seinen Kollegen mittels eines eigens dafür entwickelten Simulationsverfahrens erklärt hat.
„Diese Ergebnisse vermitteln nicht nur einen faszinierenden Einblick in die mikroskopische Quantennatur von Elektronen, sondern geben auch Anlass zur Hoffnung, dass topologische Isolatoren Anwendung in der Informationsverarbeitung der Zukunft finden könnten“, resümiert Rupert Huber von der Uni Regensburg.
U. Regensburg / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
C. P. Schmid et al.: Tunable non-integer high-harmonic generation in a topological insulator, Nature 593, 385 (2021); DOI: 10.1038/s41586-021-03466-7 - AG Huber, Institut für experimentelle und angewandte Physik, Universität Regensburg
