Weyl-Punkten auf der Spur: Publikation von Kaiserslauterer Physikern als „editors‘ suggestion“ veröffentlicht

Mithilfe des Fourier-Transform-Infrarotspektrometers experimentell nachgewiesener Weyl-Punkt. Deutlich zu erkennen ist, wie sich die zwei Bänder berühren. (Quelle: C. Jörg / S. Vaidya / J. Noh)

Per Feldemissions-Raster-Elektronenmikroskopie wird die chirale, Holzstapel-artige Strukur der photonischen Kristalle sichtbar, die die Forscher mittels Zwei-Photonen-Polymerisation hergestellt und für ihre Untersuchungen verwendet haben. (Quelle: C. Jörg)

Ein Material, das leitet und isoliert – gibt es das? Ja, Forschende haben erstmals 2005 sogenannte topologische Isolatoren beschrieben, die im Inneren Stromdurchfluss verhindern, dafür aber an der Oberfläche äußerst leitfähig sind. Die Zustände, die in dreidimensionalen Festkörpern um die Störstellen herumführen, sind wiederum an sogenannten Weyl-Punkten aufgehängt. Einem Team von WissenschaftlerInnen an der Pennsylvania State University (PSU) und der TU Kaiserslautern (TUK) ist es kürzlich erstmals gelungen, diese Punkte mit Infrarotlicht sichtbar zu machen. Das Fachmagazin Physical Review Letters hat ihre zugehörige Publikation als „editors‘ suggestion“ veröffentlicht.

Eigentlich hätte die Kaiserslauterer Physikerin Dr. Christina Jörg im März gerne ihre Postdoc-Stelle an der Pennsylvania State University in persona angetreten. Doch COVID-19 bremste die Humboldt-Stipendiatin aus. Stattdessen erhielt sie die Möglichkeit, den Postdoc im „Homeoffice“ zu starten und ihre Experimente an der TUK in der Arbeitsgruppe „Optische Technologien und Photonik“ von Prof. Dr. Georg von Freymann durchzuführen. Ein Glücksfall, wie sich schnell herausstellte. „Ich setze die bereits von meinen Kollegen in den USA begonnene Forschung fort, Oberflächenzustände und damit verbunden die optischen Weyl-Punkte in topologischen photonischen Kristallen zu charakterisieren“, erklärt die Physikerin. „Angesichts der Pandemie-Situation in den USA ist die Laborarbeit an der Pennsylvania State University eingeschränkt. In Kaiserslautern habe ich jedoch vollen Zugriff auf die erforderlichen Geräte und Messtechnik.“

Was topologische Isolatoren ausmacht, beschreibt Jörg an einem Beispiel: „In elektronischen oder optischen Bauteilen passiert beim Leiten von Strom bzw. Licht genau das, was wir kennen, wenn wir bei Nebel das Fernlicht einschalten: Das Licht wird gestreut bzw. Lichtteilchen prallen an den Nebeltröpfchen ab und werden zurückgeworfen. Übertragen auf das Bauteil, kommt das zu leitende Signal nicht verlustfrei durch und schwächt sich auf seinem Weg ab.“

Bei topologischen Isolatoren verhält es sich anders. Hier können die Signale über die Oberfläche verlustfrei um die innenliegenden Störstellen herum fließen. „Die besonderen Zustände, die die Umleitung ermöglichen, sind immer an ganz bestimmten Punkten in der Bandstruktur – der Straßenkarte, die beschreibt wie die Signale fließen können – aufgehängt“, erläutert Jörg weiter. „Es handelt sich dabei um Stellen, an denen sich zwei Bänder berühren. Diese Stellen heißen Weyl-Punkte. Topologische Weyl-Punkte sind äußerst robust und unempfindlich gegen äußerliche Einflüsse. In optischen Materialien waren Weyl-Punkte bislang nur schwer experimentell zugänglich, weil es, um diese frei zu beobachten, einen möglichst hohen Materialkontrast braucht.“

Das Team nutzte daher einen speziellen 3D-Drucker, um für die Forschung geeignete photonische Kristalle in einer Gesamtgröße von einem Quadratmillimeter herzustellen. Darin konnten sie erstmals quadratische optische Weyl-Punkte anhand von Infrarot-Lichtwellen nachweisen. Ein wichtiger Meilenstein: „Auch wenn wir noch nicht in den sichtbaren Bereich kommen, sind wir mit diesen Erkenntnissen deutlich näher an eine künftige Anwendung herangerückt“, fasst Jörg zusammen.

Die renommierte Fachzeitschrift Physical Review Letters ist ebenso überzeugt vom Potenzial der Forschungsarbeit der Kaiserslauterer und amerikanischen Physiker und gab dem Paper eine prominente Platzierung in der aktuellen Ausgabe.

Informationen zur Originalpublikation:
Observation of a Charge-2 Photonic Weyl Point in the Infrared
Sachin Vaidya, Jiho Noh, Alexander Cerjan, Christina Jörg, Georg von Freymann, und Mikael C. Rechtsman
Phys. Rev. Lett. 125, 253902
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.253902

Fragen beantwortet:
Dr. Christina Jörg
Tel.: 0631 205-5230
E-Mail: cjoerg[at]rhrk.uni-kl.de