Optik und Elektronik sind durch ein Quantenphänomen verbunden
Einem internationalen Forschungsteam unter der Leitung von Professor Ralph Claessen, Quantenphysiker aus Würzburg und Co-Sprecher von ct.qmat, ist nun eine entscheidende Entdeckung gelungen. „Zum ersten Mal ist es uns gelungen, Quasiteilchen, sogenannte Exzitonen, in einem topologischen Isolator zu erzeugen und experimentell nachzuweisen. Wir haben daher ein neues Toolkit für erstellt Festkörperphysik mit dem sich Elektronen optisch steuern lassen“, sagt Claessen. „Dieses Prinzip könnte die Grundlage für eine neue Art von elektronischen Bauteilen werden.“
Quelle: Universität Würzburg
Exzitonen sind elektronische Quasiteilchen. Obwohl sie sich wie unabhängige Teilchen zu verhalten scheinen, stellen sie tatsächlich einen angeregten elektronischen Zustand dar, der nur in bestimmten Arten von Quantenmaterie erzeugt werden kann. „Wir haben Exzitonen erzeugt, indem wir einen dünnen Film, der nur aus einer einzigen Schicht von Atomen besteht, mit einem kurzen Lichtpuls beaufschlagt haben“, erklärt Claessen. Ungewöhnlich daran sei, sagt er, dass die Exzitonen in einem topologischen Isolator aktiviert wurden – etwas, das vorher nicht möglich war. „Damit hat sich eine völlig neue Forschungsrichtung für topologische Isolatoren eröffnet“, ergänzt Claessen.
Seit etwa zehn Jahren werden Exzitonen in anderen zweidimensionalen Halbleitern untersucht und gelten als Informationsträger für lichtgetriebene Bauelemente. „Wir haben es erstmals geschafft, Exzitonen in einem topologischen Isolator optisch anzuregen. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Exzitonen lässt neue Phänomene in solchen Materialien erwarten. Dieses Prinzip könnte zum Beispiel genutzt werden, um Qubits zu erzeugen“, sagt Claessen.
Qubits sind Recheneinheiten für Quantenchips. Sie sind herkömmlichen Bits weit überlegen und ermöglichen es, Aufgaben innerhalb von Minuten zu lösen, für die herkömmliche Supercomputer buchstäblich Jahre brauchen würden.i Die Verwendung von Licht anstelle von elektrischer Spannung ermöglicht Quantenchips mit viel schnelleren Verarbeitungsgeschwindigkeiten. Neueste Erkenntnisse ebnen somit den Weg für die Zukunft Quantentechnologien und eine neue Generation von lichtgetriebenen Geräten in der Mikroelektronik.
Globale Expertise aus Würzburg
Entscheidend ist das richtige Ausgangsmaterial – in diesem Fall Bismuthen. „Er ist der schwere Bruder des Wundermaterials Graphen“, sagt Claessen, der den topologischen Isolator vor fünf Jahren erstmals im Labor maßschneiderte. „Wir sind weltweit führend auf diesem Gebiet“, fügt er hinzu.
„Aufgrund unseres ausgeklügelten Materialdesigns sind die Atome der Einzelschicht aus Bismuthen in einem Wabenmuster angeordnet, genau wie bei Graphen. Der Unterschied besteht darin, dass die schweren Atome von Bismuthen es zu einer Topologie machen Isolator, das heißt, es kann den Strom verlustfrei entlang der Kante leiten – auch bei Raumtemperatur. Das kann Graphen nicht.“
Riesiges Potenzial
Nachdem das Forschungsteam nun Exzitonen in a erzeugt hat topologischer Isolator erstmals werden die Quasiteilchen selbst in den Blick genommen.
Wissenschaftler am ct.qmat untersuchen, ob sich die topologischen Eigenschaften von Bismuthen auf Exzitonen übertragen. Dies wissenschaftlich zu belegen, ist der nächste Meilenstein, den die Forscher im Visier haben. Es könnte sogar den Weg für die Konstruktion topologischer Qubits ebnen, die im Vergleich zu ihren nicht-topologischen Pendants als besonders robust gelten.
Quelle: Ein neuer Meilenstein für lichtgetriebene Elektronik
