21. Oktober 2021
Neue Studie klärt grundlegendes Rätsel um topologische Isolatoren

Tera­hertz-Boos­ter – Mit Quan­ten­ma­te­ri­al schnel­ler Da­ten über­tra­gen

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Terahertz-Pulse treffen auf einen topologischen Isolator
Tera­hertz-Pul­se tref­fen auf ei­nen to­po­lo­gi­schen Iso­la­tor
Credit: HZDR / Juniks

Terahertz-Pulse treffen auf einen topologischen Isolator

Tera­hertz-Pul­se (von links) tref­fen auf ei­nen to­po­lo­gi­schen Iso­la­tor. Sie re­gen die Elek­tro­nen an, de­ren mög­li­che Zu­stän­de durch Ener­giebän­der vor­ge­ge­ben sind. Die Bän­der im In­nern des Ma­te­ri­als (blau) sind aus­ge­dehnt und wei­sen ei­ne große Ener­gie­lücke auf, die das Ma­te­ri­al hier zum elek­tri­schen Iso­la­tor macht. Völ­lig an­ders ver­hält es sich an der Ober­flä­che: Die dort ent­ste­hen­den Bän­der (rot) über­brücken die Ener­gie­lücke und sor­gen für ein me­tal­li­sches Ver­hal­ten. Das Ex­pe­ri­ment zeigt, dass die Elek­tro­nen in die­sen Ober­flä­chen­zu­stän­den sehr schnell in den Gleich­ge­wichts­zu­stand zu­rück­keh­ren (li­la Git­ter). Im Ge­gen­satz da­zu be­nö­ti­gen die Elek­tro­nen in den an­de­ren Bän­dern et­wa zehn­mal so viel Zeit, um zur Ru­he zu kom­men (gel­bes Git­ter).
  • Ein internationales Forscherteam zeigt mit Experimenten, dass topologische Isolatoren als Grundlage für hocheffiziente elektronische Bauteile dienen könnten.
  • Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme sind an der Studie beteiligt.
  • Diese Quantenmaterialien könnten zukünftig für eine schnellere mobile Datenübermittlung sorgen.
  • Auch bei der Entwicklung von Detektorsystemen wie Weltraumteleskopen kann dieses Material künftig eine große Rolle spielen.
  • Schwerpunkte: Quantentechnologien, Digitalisierung, Terahertz-Forschung, Sensorsysteme, Raumfahrt

Sie gelten als hochinteressante Materialien für die Elektronik der Zukunft: Topologische Isolatoren leiten Strom auf eine besondere Weise und versprechen neuartige Schaltkreise und einen schnelleren Mobilfunk. Ein internationales Forscherteam hat nun unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) eine grundlegende Eigenschaft der neuen Werkstoffklasse enträtselt: Wie reagieren die Elektronen im Material, wenn sie mit kurzen Pulsen sogenannter Terahertz-Strahlung „aufgeschreckt“ werden? Die Ergebnisse sind nicht nur für das grundlegende Verständnis dieser neuartigen Quantenmaterialien wichtig, sondern könnten künftig für eine schnellere mobile Datenkommunikation sorgen oder in hochempfindlichen Detektorsystemen für die Erkundung ferner Planeten eingesetzt werden. Die Studie wurde am 19. Oktober 2021 im Fachjournal NPJ Quantum Materials veröffentlicht.

„Die Eigenschaften bieten zukünftig vielversprechende Perspektiven,“ betont Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR, „Die sogenannten topologischen Isolatoren können Grundlage für hocheffiziente elektronische Bauteile sein und zukünftig für eine schnellere mobile Datenübermittlung sorgen.“

Topologische Isolatoren sind eine noch junge Materialklasse mit einer besonderen Quanteneigenschaft. An ihrer Oberfläche können sie Strom nahezu verlustfrei leiten. Hingegen fungiert ihr Inneres als Isolator, sodass hier keinerlei Strom fließen kann. Diese Eigenschaften bieten zukünftig vielversprechende Perspektiven: Topologische Isolatoren könnten als Grundlage für hocheffiziente elektronische Bauteile dienen, was sie zu einem interessanten Forschungsfeld in der Physik machen. „Am DLR haben wir ein großes Interesse, solche Quantenmaterialien in leistungsfähigen Heterodyn-Empfängern für die Astronomie, insbesondere in Weltraumteleskopen, einzusetzen“, erläutert Michael Gensch vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme sowie Professor am Institut für Optik und Atomare Physik an der TU Berlin.

Topologische Isolatoren unter Terahertz-Strahlung

Noch sind aber einige grundlegende Fragen offen: Was geschieht zum Beispiel, wenn man die Elektronen im Material mit bestimmten elektromagnetischen Wellen – sogenannter Terahertz-Strahlung – „anschubst“ und dadurch energetisch anregt? Die Elektronen wollen den zwangsweise verpassten Energieschub möglichst rasch wieder loswerden, etwa indem sie das Kristallgitter um sich herum erwärmen. Doch bei den topologischen Isolatoren war bislang fraglich, ob dieses Loswerden der Energie in der leitenden Oberfläche schneller passiert als im isolierenden Kern. „Um das festzustellen, mangelte es bisher an geeigneten Experimenten“, erklärt Studienleiter Dr. Sergey Kovalev vom Institut für Strahlenphysik am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). „Bislang war es extrem schwierig, bei Raumtemperatur zwischen der Reaktion der Oberfläche und der des Materialinneren zu unterscheiden.“

Um diese Hürde zu überwinden, entwickelte das internationale Forscherteam um Kovalev einen raffinierten Versuchsaufbau. Dabei treffen intensive Terahertz-Pulse auf die Probe und regen die Elektronen an. Unmittelbar darauf beleuchten Laserblitze das Material und erfassen, wie die Probe auf den Terahertz-Reiz reagiert. In einer zweiten Versuchsreihe messen spezielle Detektoren, inwieweit die Probe einen ungewöhnlichen nichtlinearen Effekt zeigt und die eintreffenden Terahertz-Pulse in ihrer Frequenz vervielfacht. Diese Experimente führte Kovalev an der Terahertz-Lichtquelle TELBE (High-Field High-Repetition-Rate Terahertz facility @ ELBE) im ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des HZDR durch. Daran beteiligt waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Katalanischen Instituts für Nanowissenschaften und Nanotechnologie in Barcelona, der Universität Bielefeld, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der Technischen Universität Berlin sowie der Lomonossov-Universität und dem Kotelnikov-Institut für Funktechnik und Elektronik in Moskau.

Rasanter Energieübertrag

Entscheidend war dabei, dass das Team nicht nur ein einziges Material unter die Lupe nahm. Die russischen Projektpartner stellen dazu drei verschiedene topologische Isolatoren mit unterschiedlichen, genau abgestimmten Eigenschaften her: In einem konnten nur die Elektronen an der Oberfläche die Energie der Terahertz-Pulse direkt aufnehmen, in den anderen wurden hauptsächlich Elektronen im Probeninneren angeregt. „Der Abgleich dieser drei Experimente erlaubte es, präzise zwischen dem Verhalten der Oberfläche und der des Materialinneren zu unterscheiden“, erklärt Kovalev. „Und zwar haben sich die Elektronen in der Oberfläche deutlich schneller abgeregt als die im Inneren des Materials.“ Offenbar waren sie in der Lage, ihre Energie unverzüglich auf das Kristallgitter des Materials zu übertragen.

Waren die Oberflächen-Elektronen nach wenigen hundert Femtosekunden in ihren ursprünglichen energetischen Zustand zurückgekehrt, dauerte dies bei den „inneren“ Elektronen rund zehnmal so lange, also einige Pikosekunden. „Topologische Isolatoren sind hochkomplexe Systeme, sie sind theoretisch alles andere als einfach zu verstehen“, betont DLR-Wissenschaftler Michael Gensch. „Unsere Resultate können bei der Entscheidung helfen, welche der theoretischen Ideen zutreffend sind.“

Hocheffektive Multiplikation

Doch das Experiment verspricht auch interessante Perspektiven für die digitale Kommunikation, etwa für WLAN und Mobilfunk. Technologien wie 5G arbeiten heute im Gigahertz-Bereich. Ließen sich höhere Frequenzen im Terahertz-Bereich nutzen, könnte man deutlich mehr Daten über einen Funkkanal übertragen. Eine wichtige Rolle könnten dabei sogenannte Frequenzvervielfacher spielen. Sie sind in der Lage, relativ niedrige Funkfrequenzen in deutlich höhere zu übersetzen.

Vor einiger Zeit hatte das Forschungsteam erkannt, dass Graphen – zweidimensionaler, superdünner Kohlenstoff – unter bestimmten Bedingungen als effizienter Frequenzvervielfacher dienen kann. Es vermag eine 300-Gigahertz-Strahlung in Frequenzen von einigen Terahertz zu konvertieren. Ist aber die eintreffende Strahlung extrem intensiv, verliert Graphen stark an Effizienz. Topologische Isolatoren dagegen funktionieren selbst noch bei intensivster Anregung, so das Ergebnis der neuen Studie. „Damit könnte es möglich sein, Frequenzen von einigen Terahertz auf mehrere Dutzend Terahertz zu multiplizieren“, glaubt HZDR-Physiker Dr. Jan-Christoph Deinert, der das TELBE-Team gemeinsam mit Kovalev leitet. „Bisher sehen wir da bei den topologischen Isolatoren noch kein Ende.“ Damit könnten die neuen Quantenmaterialien in einem deutlich breiteren Frequenzbereich eingesetzt werden als etwa Graphen.

Publikation

S. Kovalev, K.-J. Tielrooij, J.-C. Deinert, I. Ilyakov, N. Awari, M. Chen, A. Ponomaryov, M. Bawatna, T.V.A.G. de Oliveira, L.M. Eng, K.A. Kuznetsov, G.Kh. Kitaeva, P.I. Kuznetsov, H.A. Hafez, D. Turchinovich, M. Gensch: Terahertz signatures of ultrafast Dirac fermion relaxation at the surface of topological insulators at room temperature, in NPJ Quantum Materials 2021 (DOI: 10.1038/s41535-021-00384-9).

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