Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

14.01.2019

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bisher sind ihre Eigenschaften noch wenig verstanden. Physiker der Goethe-Universität haben die sogenannten topologischen Isolatoren nun mithilfe ultrakalter Quantengase modelliert. In der aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters zeigen sie, wie man die Randzustände experimentell sichtbar machen könnte.

Man stelle sich eine Scheibe aus einem Isolator vor, an deren Rand ein Strom immer in dieselbe Richtung fließt. „Dadurch ist es unmöglich, dass ein Quantenteilchen aufgehalten wird, da es den Zustand in die andere Richtung zu laufen schlicht nicht gibt“, erklärt Bernhard Irsigler, der Erstautor der Studie.


Künstliche Grenze in einem optischen Gitter (blau), befüllt mit einem ultrakalten Quantengas, das aus 'spin-up'-Teilchen (rot) und 'spin-down'-Teilchen (grün) besteht. 'spin-up'-Teilchen können an der Grenze entlang (und nur dort) nur nach links laufen, 'spin-down'-Teilchen nur nach rechts.

Bildrechte: Bernhard Irsigler

Anders ausgedrückt: In den Randzuständen fließt der Strom ohne Widerstand. Man könnte sie beispielsweise dazu verwenden, die Zuverlässigkeit und Energie-Effizienz von Mobilgeräten zu steigern. Aktuell wird auch erforscht, wie man damit effizientere Laser bauen könnte.

Um das Verhalten topologischer Isolatoren besser verstehen zu können, hat man sie in den vergangenen Jahren auch in ultrakalten Quantengasen erzeugt. Diese Gase entstehen, wenn man ein gewöhnliches Gas auf Temperaturen zwischen einem Millionstel und einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlt.

Damit sind ultrakalte Quantengase die kältesten Orte im Universum. Erzeugt man ein ultrakaltes Quantengas zusätzlich in einem optischen Gitter aus Laserlicht, ordnen sich die Gas-Atome so regelmäßig an wie im Kristallgitter eines Festkörpers. Anders als in einem realen Festkörper kann man viele Parameter variieren und so auch künstliche Quantenzustände studieren.

„Wir sprechen gern von einem Quantensimulator, weil ein solches System uns viele Dinge verrät, die in einem Festkörper passieren. So können wir mit ultrakalten Quantengasen in optischen Gittern die Grundlagenphysik von topologischen Isolatoren verstehen“, erläutert Koautor Jun-Hui Zheng.

Ein bedeutender Unterschied zwischen einem Festkörper und einem Quantengas ist jedoch, dass die wolkenförmigen Gase keine definierten Ränder haben. Wie entscheidet also ein topologischer Isolator im ultrakalten Quantengas, wo seine Ränder sind?

Diese Frage beantworten die Physiker aus der Arbeitsgruppe von Prof. Walter Hofstetter vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität in ihrer Studie. Sie haben eine künstliche Grenze zwischen einem topologischen Isolator und einem normalen Isolator betrachtet. Diese stellt den Rand des topologischen Isolators dar, an dem sich der leitfähige Randzustand ausbildet.

„Wir zeigen, dass der Randzustand durch Quantenkorrelationen charakterisiert ist, die man im Experiment mit Hilfe eines Quantengas-Mikroskops messen könnte. Derartige Messungen werden beispielsweise an der Harvard University, am MIT und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München durchgeführt“, so Hofstetter. Ein Quantengas-Mikroskop ist ein Gerät, mit dem man im Experiment einzelne Atome sehen kann.

„Entscheidend für unsere Arbeit ist, dass wir die Wechselwirkung zwischen den Teilchen des Quantengases explizit berücksichtigten. Das macht die Untersuchung realistischer, aber sehr viel komplizierter. Ohne Supercomputer kann man die aufwendigen Berechnungen nicht durchführen. Besonders wichtig ist für uns auch die enge Zusammenarbeit mit führenden europäischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Rahmen der DFG Forschergruppe‘Artificial Gauge Fields and Interacting Topological Phases in Ultracold Atoms‘“, ergänzt Hofstetter.

Ein Bild zum Download finden Sie unter: http://www.uni-frankfurt.de/75773481
Bildtext: Künstliche Grenze in einem optischen Gitter (blau), befüllt mit einem ultrakalten Quantengas, das aus 'spin-up'-Teilchen (rot) und 'spin-down'-Teilchen (grün) besteht. 'spin-up'-Teilchen können an der Grenze entlang (und nur dort) nur nach links laufen, 'spin-down'-Teilchen nur nach rechts.
Bildrechte: Bernhard Irsigler

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Bernhard Irsigler, Institut für Theoretische Physik, Campus Riedberg, Tel.: 069-798 47883. irsigler@th.physik.uni-frankfurt.de.

Originalpublikation:

Bernhard Irsigler, Jun-Hui Zheng, and Walter Hofstetter: Interacting Hofstadter interface, Physical Review Letters, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.010406

Dr. Anne Hardy | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-frankfurt.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ferne Welten unter vielen Sonnen
13.11.2019 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht TU Graz-Forschende entwickeln neuen 3D-Druck zur direkten Fertigung von Nanostrukturen
13.11.2019 | Technische Universität Graz

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: New Pitt research finds carbon nanotubes show a love/hate relationship with water

Carbon nanotubes (CNTs) are valuable for a wide variety of applications. Made of graphene sheets rolled into tubes 10,000 times smaller than a human hair, CNTs have an exceptional strength-to-mass ratio and excellent thermal and electrical properties. These features make them ideal for a range of applications, including supercapacitors, interconnects, adhesives, particle trapping and structural color.

New research reveals even more potential for CNTs: as a coating, they can both repel and hold water in place, a useful property for applications like printing,...

Im Focus: Magnetisches Tuning auf der Nanoskala

Magnetische Nanostrukturen maßgeschneidert herzustellen und nanomagnetische Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen, daran arbeiten Physiker des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit Kollegen des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden und der Universität Glasgow. Zum Einsatz kommt ein spezielles Mikroskop am Ionenstrahlzentrum des HZDR, dessen hauchdünner Strahl aus schnellen geladenen Atomen (Ionen) periodisch angeordnete und stabile Nanomagnete in einem Probenmaterial erzeugen kann. Es dient aber auch dazu, die magnetischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu optimieren.

„Materialien im Nanometerbereich magnetisch zu tunen birgt ein großes Potenzial für die Herstellung modernster elektronischer Bauteile. Für unsere magnetischen...

Im Focus: Magnets for the second dimension

If you've ever tried to put several really strong, small cube magnets right next to each other on a magnetic board, you'll know that you just can't do it. What happens is that the magnets always arrange themselves in a column sticking out vertically from the magnetic board. Moreover, it's almost impossible to join several rows of these magnets together to form a flat surface. That's because magnets are dipolar. Equal poles repel each other, with the north pole of one magnet always attaching itself to the south pole of another and vice versa. This explains why they form a column with all the magnets aligned the same way.

Now, scientists at ETH Zurich have managed to create magnetic building blocks in the shape of cubes that - for the first time ever - can be joined together to...

Im Focus: A new quantum data classification protocol brings us nearer to a future 'quantum internet'

The algorithm represents a first step in the automated learning of quantum information networks

Quantum-based communication and computation technologies promise unprecedented applications, such as unconditionally secure communications, ultra-precise...

Im Focus: REANIMA - für ein neues Paradigma der Herzregeneration

Endogene Mechanismen der Geweberegeneration sind ein innovativer Forschungsansatz, um Herzmuskelschäden zu begegnen. Ihnen widmet sich das internationale REANIMA-Projekt, an dem zwölf europäische Forschungszentren beteiligt sind. Das am CNIC (Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares) in Madrid koordinierte Projekt startet im Januar 2020 und wird von der Europäischen Kommission mit 8 Millionen Euro über fünf Jahre gefördert.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachen weltweit die meisten Todesfälle. Herzinsuffizienz ist geradezu eine Epidemie, die neben der persönlichen Belastung mit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Mediation – Konflikte konstruktiv lösen

12.11.2019 | Veranstaltungen

Hochleistungsmaterialien mit neuen Eigenschaften im Fokus von Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft

11.11.2019 | Veranstaltungen

Weniger Lärm in Innenstädten durch neue Gebäudekonzepte

08.11.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Mehr digitale Prozesse für den Mittelstand

13.11.2019 | Unternehmensmeldung

dormakaba mit 4 Architects' Darling in Gold ausgezeichnet

13.11.2019 | Förderungen Preise

Effiziente Motorenproduktion mit der neuesten Generation des LZH IBK

13.11.2019 | Maschinenbau

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics