Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuartiger topologischer Isolator

12.10.2018

Erstmals haben Physiker einen topologischen Isolator gebaut, in dem nicht Elektronen oder Licht fließen, sondern Teilchen aus Licht und Materie. Ihre Neuerung präsentieren sie in „Nature“.

Topologische Isolatoren sind Materialien mit sehr speziellen Eigenschaften. Sie leiten elektrischen Strom oder Lichtteilchen nur an ihrer Oberfläche oder an ihren Kanten weiter, nicht aber in ihrem Inneren. Dieses ungewöhnliche Verhalten könnte einmal zu technischen Innovationen führen, und darum werden topologische Isolatoren seit einigen Jahren weltweit intensiv erforscht.


Der neuartige topologische Isolator aus der Würzburger Physik: An seinen Kanten entlang fließt ein Strom aus Exziton-Polaritonen (rot), der sich kontrollieren lässt.

(Bild: Karol Winkler)

Eine Neuerung stellen nun Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) jetzt mit Fachkollegen vom Technion in Haifa (Israel) und Singapur in der Zeitschrift „Nature“ vor.

Das Team hat erstmals einen topologischen Isolator realisiert, an dessen Kanten sich Exziton-Polaritonen fortbewegen. Vereinfacht gesagt sind das Teilchen, in denen Licht und Materie (Photonen und Elektronen) eng aneinander gekoppelt sind.

Neuheit birgt doppeltes Potenzial

In einem derartigen topologischen Isolator steckt doppeltes Potenzial, erklärt Professor Sven Höfling, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Physik an der JMU: „Man könnte ihn sowohl für schaltbare elektronische Systeme als auch für Laser-Anwendungen nutzen.“ Mit den bislang realisierten topologischen Isolatoren, die entweder auf Elektronen oder Lichtteilchen basieren, wäre jeweils nur eine Anwendung möglich.

Dr. Sebastian Klembt, Leiter einer Arbeitsgruppe an Höflings Lehrstuhl, war federführend bei diesem Projekt. Er beschreibt weitere Details: Der neuartige topologische Isolator wurde auf einen Mikrochip gebaut und besteht im Wesentlichen aus dem Verbindungshalbleiter Gallium-Arsenid. Er besitzt eine Honigwaben-Struktur und ist aus vielen kleinen Säulen aufgebaut. Dabei hat jede Säule einen Durchmesser von zwei Mikrometern (zwei Millionstel Meter).

Transportrichtung ist kontrollierbar

Wird diese Mikrostruktur mit Laserlicht angeregt, entstehen darin Licht-Materie-Teilchen, und zwar ausschließlich an den Kanten. Die Teilchen wandern dann an den Kanten entlang, auch um die Ecken herum, und das relativ verlustarm. „Mit einem Magnetfeld können wir die Transportrichtung der Teilchen kontrollieren und auch umkehren“, sagt Klembt.

Ein fein ausgeklügeltes System also, das in anwendungsnahen Dimensionen – auf einem Mikrochip – funktioniert und in dem man Licht kontrollieren kann. Das ist normalerweise nicht so einfach möglich: Reine Lichtteilchen besitzen keine elektrische Ladung und lassen sich darum nicht ohne weiteres mit elektrischen oder magnetischen Feldern steuern. Mit dem neuen topologischen Isolator aus Würzburg aber geht das – Licht lässt sich damit sozusagen auch „um die Ecke schicken“.

JMU und Technion: Hochburgen für topologische Isolatoren

Dieser Forschungserfolg des Höfling-Teams zeigt erneut, dass das Physikalische Institut der JMU eine Hochburg für topologische Isolatoren ist. Der Würzburger Physikprofessor Laurens Molenkamp war 2007 der Pionier, der weltweit erstmals einen topologischen Isolator experimentell realisierte.

Ihre herausragende Kompetenz auf diesem Feld bekamen die JMU-Physiker zuletzt im September 2018 bescheinigt: Im bundesweiten Wettbewerb „Exzellenzstrategie“ erhielten sie zusammen mit der TU Dresden den Zuschlag für den Exzellenzcluster „Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien“.

Die Wissenschaftler vom Technion in Israel steuern hier ergänzendes Fachwissen bei. Die Gruppe von Mordechai (Moti) Segev hat 2013 den ersten photonischen topologischen Isolator präsentiert und damit das Feld der Topologischen Photonik begründet.

Mit vereinter Expertise haben beide Gruppen nun den ersten „symbiotischen“ topologischen Isolator auf Licht-Materie-Basis realisiert. Diese grundlegende Entdeckung könnten die Türen für spannende Anwendungen in der Optoelektronik öffnen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Sebastian Klembt, Lehrstuhl für Technische Physik der JMU, T +49 931 31-85980, sebastian.klembt@physik.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Sven Höfling, Lehrstuhl für Technische Physik der JMU, T +49 931 31-83613, hoefling@physik.uni-wuerzburg.de

Originalpublikation:

“Exciton-polariton topological insulator”, S. Klembt, T. H. Harder, O. A. Egorov, K. Winkler, R. Ge, M. A. Bandres, M. Emmerling, L. Worschech, T. C. H. Liew, M. Segev, C. Schneider & S. Höfling, Nature, 8. Oktober 2018, DOI 10.1038/s41586-018-0601-5

Robert Emmerich | Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Vorhang auf für das erste Teleskop des CTA-Observatoriums
11.10.2018 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Erste Ergebnisse des Plasma-Experiments PK-4 veröffentlicht
11.10.2018 | Justus-Liebig-Universität Gießen

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: Neuartiger topologischer Isolator

Erstmals haben Physiker einen topologischen Isolator gebaut, in dem nicht Elektronen oder Licht fließen, sondern Teilchen aus Licht und Materie. Ihre Neuerung präsentieren sie in „Nature“.

Topologische Isolatoren sind Materialien mit sehr speziellen Eigenschaften. Sie leiten elektrischen Strom oder Lichtteilchen nur an ihrer Oberfläche oder an...

Im Focus: Vorhang auf für das erste Teleskop des CTA-Observatoriums

Am 10. Oktober 2018 wurde das LST-1 (Large-Sized-Teleskop) auf der Kanareninsel La Palma eingeweiht. Es ist das erste von insgesamt über 100 geplanten Teleskopen im Cherenkov Telescope Array (CTA). Die Instrumente sollen Objekte und Ereignisse ins Visier nehmen, die Teilchen höchster Energie ins All schleudern und dabei Gammastrahlen aussenden. Dazu zählen zum Beispiel Supernova-Überreste, Doppelsternsysteme oder Pulsare.

Als Prototyp bildet das LST-1 die Vorhut für drei weitere Teleskope gleicher Bauart am selben Standort; darüber hinaus sind dort 15 mittelgroße Teleskope...

Im Focus: Mikro-Energiesammler für das Internet der Dinge

Fraunhofer-IWS Dresden druckt mit Polymer-Tinte elektronische Schichten

Dünne organische Schichten können Maschinen und Geräten neue Funktionen verleihen. Zum Beispiel ermöglichen sie winzig kleine Energierückgewinner. Die sollen...

Im Focus: Micro energy harvesters for the Internet of Things

Fraunhofer IWS Dresden scientists print electronic layers with polymer ink

Thin organic layers provide machines and equipment with new functions. They enable, for example, tiny energy recuperators. In future, these will be installed...

Im Focus: Internationale Medizintechnikexperten zeigen auf der COMPAMED die Trends der Zukunft

Die jährlich in Angliederung an die MEDICA in Düsseldorf stattfindende COMPAMED ist ein etablierter und weltweit renommierter Marktplatz für Komponenten und Technologien und behauptet jedes Jahr erneut ihren Rang als international führender Marktplatz für Zulieferer der medizinischen Fertigung.

Insbesondere im Bereich von medizinischen Geräten für mobile Diagnostik, Therapie und Laborequipment werden zunehmend leistungsfähige, smarte und zuverlässige...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

PV Days in Halle zeigen neue Chancen für die Photovoltaik

11.10.2018 | Veranstaltungen

Methan als umweltfreundlicher Kraftstoff für LKW, Busse und andere Nutzfahrzeuge

10.10.2018 | Veranstaltungen

Schlaf ist Medizin: Neue Erkenntnisse aus der Schlafforschung

08.10.2018 | Veranstaltungen

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

Medikamente zum Anziehen

11.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Härtere Werkzeuge aus dem 3D-Drucker – Dresdner stellen neues Verfahren für Hartmetallindustrie vor

11.10.2018 | Verfahrenstechnologie

Einzigartige Infrastruktur für Deep Learning – DFKI erhält ersten NVIDIA DGX2 Supercomputer Europas

11.10.2018 | Informationstechnologie

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