Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

17.01.2017

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen ermöglichen es, Teilcheneigenschaften zu beobachten, die keine Entsprechung in der Teilchenphysik haben.


Durch spezielle Laserpulse angeregt, tanzen Weyl-Kegel in einem Dirac-Fermion-Material auf dem durch Laserlicht kontrollierten Pfad. Ein Kegel enthält rechts-, der andere linkshändige Weyl-Fermionen.

Jörg M. Harms/MPSD

In der vorliegenden Arbeit machte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Angel Rubio vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL in Hamburg und von der Universität des Baskenlandes in Donostia-San Sebastián Vorhersagen, wie Laserlicht dazu verwendet werden kann, um in 3D-Dirac-Materialien Weyl-Fermion-Zustände zu erzeugen und auf ultraschnellen Zeitskalen zwischen einem Weyl-Semimetall, einem Dirac-Semimetall und einem topologischen Isolator hin- und herzuschalten.

Neben ihrer Bedeutung für grundlegende Fragen der Quantenphysik könnten die Ergebnisse auch zu Anwendungen in der ultraschnellen Schaltung von Materialzuständen führen. Die Erkenntnisse werden heute in der Fachzeitschrift Nature Communications vorgestellt.

Im Standardmodell der Teilchenphysik werden die Elementarteilchen, aus denen alle Materie um uns herum aufgebaut ist, Elektronen und Quarks, als Fermionen bezeichnet – benannt nach dem berühmten italienischen Physiker Enrico Fermi. Die Quantenfeldtheorie besagt, dass es von diesen fundamentalen Fermionen drei verschiedene Arten geben kann: Dirac-, Weyl- und Majorana-Fermionen, benannt nach Paul Dirac, Hermann Weyl und Ettore Majorana. Trotz ihrer Vorhersage vor nunmehr fast einhundert Jahren wurden von diesen drei Teilchenarten bisher nur Dirac-Fermionen als Elementarteilchen in der Natur beobachtet.

Mit der Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 erkannte man jedoch, dass sich das Verhalten freier, relativistischer Teilchen auch in den elektronischen Eigenschaften von Materialien beobachten lässt. Dies entfachte eine Suche nach Materialien, in denen diese fundamentalen Teilchen beobachtet werden könnten; und erst vergangenes Jahr wurden die ersten Materialien entdeckt, in denen Weyl-Fermionen existieren. Während jedes bekannte Material im Gleichgewichtszustand nur eine Art dieser Fermionen beinhaltet, konnte in der aktuellen Arbeit gezeigt werden, wie sich die Natur der Fermionen in bestimmten Materialien mithilfe maßgeschneiderter Lichtpulse umwandeln lässt.

Erste Beobachtung von Dirac-Fermionen in Graphen

Die Beobachtung von Dirac-Fermionen in den Eigenschaften von Graphen hat ihren Ursprung in einer komplexen Wechselwirkung der großen Zahl von Elektronen und Ionen, aus denen das Material aufgebaut ist. Während jedes einzelne Elektron durch elektrostatische Kräfte mit seinen benachbarten Ionen und Elektronen wechselwirkt, führt das spezielle Muster der Kohlenstoff-Ionen in der Wabenstruktur der Graphenlagen dazu, dass sich die Elektronen kollektiv wie masselose freie Fermionen verhalten – Dirac-Fermionen. Diese Teilchen, die sich kooperativ verhalten wie neue Teilchen mit anderen Eigenschaften, nennt man Quasiteilchen. Daher hat sich die Suche nach weiteren Materialien, die Quasiteilchen beinhalten, welche sich wie Elementarteilchen verhalten, bisher auf die Kristallstruktur der Materialien fokussiert.

Erzeugung lasergetriebener topologischer Zustände

Nun hat man jedoch entdeckt, dass sich durch die Bestrahlung eines Materials mit einem Laser Quasiteilchen des Materials mit Photonen des Laserfeldes zu einem wiederum neuen Quasiteilchen verbinden können, das sich nochmals grundlegend anders verhalten kann. Insbesondere kann die Kopplung mit Photonen die Topologie der Quasiteilchen beeinflussen. Die Topologie ist eine Eigenschaft der Teilchen eines Materials, die zu merkwürdigen Eigenschaften führt, beispielsweise zu metallischen chiralen Zuständen, die eine widerstandslose einspurige Quanten-Autobahn entlang der Oberfläche eines im Inneren isolierenden topologischen Isolators bilden. Diese Chiralität, oder Händigkeit, ist topologisch in dem Sinne, dass rechtshändige und linkshändige Zustände nicht kontinuierlich ineinander überführt werden können. Der Nobelpreis für Physik im Jahr 2016 wurde gerade erst an Michael Kosterlitz, Duncan Haldane und David Thouless für die Entdeckung solcher topologischer Zustände verliehen.

Dirac- und Weyl-Fermionen unterscheiden sich durch ihre Chiralität. Genauso wie unsere linken und rechten Hände kommen Weyl-Fermionen immer in Paaren vor, bei denen ein Teilchen das Spiegelbild des anderen ist. Die beiden Partner sind beinahe identisch, können jedoch nicht einfach überlagert werden. Dirac-Fermionen haben diese Eigenschaft nicht.

Ein Zugang zur Chiralität in einem Material ist die Anregung mit einem Laserstrahl. „Vor etwa zehn Jahren erkannte man, dass die sogenannte Floquet-Theorie − eine Theorie für lasergetriebene Systeme, die periodisch in der Zeit schwingen − es uns ermöglicht, Parameter und Symmetrien in Materialien so zu beeinflussen, dass dadurch ihre Topologie verändert werden kann“, erklärt Michael Sentef, Emmy-Noether-Gruppenleiter am MPSD in Hamburg. Indem man Dirac-Fermionen mit den Photonen eines Laserstrahls kombiniert, kann man neue Quasiteilchen erzeugen und die für Weyl-Fermionen benötigte Chiralität induzieren. Dadurch verwandelt man das Dirac-Semimetall in ein Weyl-Semimetall.

In seiner Arbeit nutzte das Forscherteam um Angel Rubio modernste Computersimulationen von Materialeigenschaften, um die optische Transformation von Dirac-Fermionen zu Weyl-Fermionen in dem realen Material Na3Bi zu demonstrieren. Dieses Material ist ein dreidimensionales Dirac-Semimetall. Es besteht aus Schichten von Natrium- und Wismut-Atomen, die sich zu einem dreidimensionalen Äquivalent von Graphen anordnen. Diese Dreidimensionalität ist entscheidend für die Möglichkeit der Transformation von Dirac- in Weyl-Fermionen. In zweidimensionalem Graphen ist diese Umwandlung nicht möglich.

„Die entscheidende Herausforderung in dieser Arbeit bestand darin, die Ideen aus der Floquet-Theorie und Topologie von Modellsystemen auf reale Materialien zu übertragen und somit zu zeigen, dass topologische Nichtgleichgewichts-Phasenübergänge im Kontext der Materialwissenschaften realisiert werden können“, sagt Hannes Hübener, Marie-Curie-Stipendiat an der Universität des Baskenlandes in San Sebastián und Erstautor der Arbeit.

Von topologischer Stabilität zu ultraschneller Elektronik

Insbesondere konnten die Autoren zeigen, wie der topologische Schutz der Händigkeit von Weyl-Fermionen entsteht und durch die Stärke des Laserstrahls verstärkt werden kann. „Wir bemerkten in unseren Simulationen, dass sich die Weyl-Fermionen umso weiter voneinander entfernten, je mehr wir das Laserfeld erhöhten“, sagt Sentef. „Dieses Sich-Entfernen passiert dabei im sogenannten Impulsraum, in dem die Quasiteilchen leben. Da rechts- und linkshändige Teilchen gerade Antiteilchen zueinander sind, müssen sie zusammenkommen, um sich gegenseitig auszulöschen. Die Separation im Impulsraum schützt sie also gerade vor dieser Vernichtung, was bedeutet, dass wir die topologische Stabilität dieser Teilchen erreichen können.“

Die theoretischen Resultate legen nahe, dass Experimentalphysiker in der Lage sein sollten, diese Umwandlung zwischen Dirac- und Weyl-Fermionen in ultraschnellen Laser-Experimenten zu messen. Eine Möglichkeit besteht darin, den photoelektrischen Effekt zu nutzen, um Elektronen aus dem lasergetriebenen Material zu emittieren. Diese Technik nennt man „Pump-Probe-Photoemissionsspektroskopie“, wie sie am MPSD in der Gruppe um Otto-Hahn-Gruppenleiterin Isabella Gierz in der Abteilung von Max-Planck-Direktor Andrea Cavalleri verfügbar ist.

Angel Rubio, Direktor der MPSD Theorie-Abteilung, ergänzt: „Mit dieser Arbeit betreten wir aufregende neue Wege, um die Eigenschaften von Materialien und Molekülen mittels der fundamentalen Licht-Materie-Wechselwirkung zu manipulieren. Wir schaffen damit die Grundlage, um letztlich das Verhalten von Materie auf der Nanoskala und mit ultraschnellen Schaltzeiten zu kontrollieren.“ Im Idealfall hoffen die Wissenschaftler sogar einen Weg zu finden, um diese lichtinduzierten Zustände auf längeren Zeitskalen zu stabilisieren und gleichzeitig die Möglichkeit des ultraschnellen Schaltens mit Terahertz- oder sogar noch schnelleren Frequenzen zu bewahren. Dies könnte ultraschneller Elektronik für superschnelle Computer der Zukunft den Weg ebnen.

Lange Bildunterschrift:
Tanzende Weyl-Kegel: Wenn sie durch speziell geformte Laserpulse (weiße Spirale) angeregt werden, tanzen die Kegel in einem Dirac-Fermion-Material auf einem Pfad (8er-Form), der durch das Laserlicht kontrolliert werden kann. Dies erzeugt aus dem Dirac-Material ein Weyl-Material und verändert die Natur der Quasiteilchen im Material. Einer der Kegel beherbergt rechtshändige Weyl-Fermionen, der andere Kegel linkshändige.

Weitere Informationen:

http://www.mpsd.mpg.de/333992/2016-11-floquet-weyl-huebener Institutspressemeldung
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms13940 Originalpublikation
http://www.mpsd.mpg.de/forschung/theo Abteilung Theorie am MPI für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg

Dr. Joerg Harms | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Spin-Strom aus Wärme: Neues Material für höhere Effizienz
20.11.2017 | Universität Bielefeld

nachricht cw-Wert wie ein Lkw: FH Aachen testet Weihnachtsbaum im Windkanal
20.11.2017 | FH Aachen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie