Elektronenspins mit Licht steuern

Die erst vor wenigen Jahren entdeckte Materialklasse der sogenannten topologischen Isolatoren zeichnet sich durch erstaunliche Eigenschaften aus: Sie verhalten sich im Innern elektrisch isolierend, bilden an der Oberfläche jedoch metallisch leitende Zustände. Ein internationales Forscherteam hat jetzt herausgefunden, wie man die Elektronen an der Oberfläche dieser Materialien mit Licht beeinflussen und verlustfreie Ströme ihrer Spins – einer quantenmechanischen Eigenschaft der Teilchen – erzeugen kann. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Physical Review X“ veröffentlicht.

Oben zwei geometrische Formen nebeneinander, die flachen Sanduhren ähneln. An den Rändern ihrer nach oben zeigenden Kreisflächen sind jeweils Kugeln mit Pfeilen im Uhrzeigersinn angeordnet. Bei einer Energie von 50 Elektronenvolt zeigen die Pfeile in die gleiche Richtung (nämlich entlang des Uhrzeigersinns), egal, welchen Drehsinn das einfallende, kreisförmig polarisierte Licht hat. In der Mitte zwei weitere dieser „Sanduhren" bei einer Energie von 6 Elektronenvolt. Auch hier verteilen sich wieder Kugeln mit Pfeilen entlang des Randes der nach oben zeigenden Kreisfläche. Diesmal zeigen die Pfeile jedoch bei der linken Sanduhr nach oben, und bei der rechten nach unten, je nachdem, mit welchem Drehsinn das einfallende Licht polarisiert ist.
Spintextur eines topologischen Isolators

Jaime Sánchez-Barriga und seine Kollegen bestrahlten den topologischen Isolator Bismutselenid (Bi2Se3) an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin mit kreisförmig polarisiertem Licht. Dabei stellten sie fest, dass es einen Unterschied macht, ob die Elektronen an der Materialoberfläche mit Licht im vakuumultravioletten Wellenlängenbereich – entsprechend einer Energie von 50 bis 70 Elektronenvolt – oder mit ultraviolettem Laserlicht mit einer Energie von sechs Elektronenvolt angeregt werden.

„Bei der Anregung mit 50 Elektronenvolt weisen die emittierten Elektronen die für topologische Isolatoren typische Spintextur auf“, berichtet Sánchez-Barriga vom Helmholtz-Zentrum Berlin. „Die Spins der Elektronen laufen hier in der Oberflächenebene im Kreis, ähnlich wie auf einem Verkehrsschild für Kreisverkehr.“ Dies ist der Grundzustand der Elektronen in der Oberfläche der topologischen Isolatoren. Bei der Anregung mit niederenergetischem Licht hingegen drehten sich die Spins der Elektronen komplett aus der Ebene heraus. Sie nahmen sogar diejenige Spinrichtung an, die ihnen das Licht jeweils durch seine kreisförmige Polarisierung vorgab.

Das bedeutet, dass sich der Spin gezielt manipulieren lässt – je nachdem, welches Licht zum Einsatz kommt. Das vollkommen unterschiedliche Verhalten bei unterschiedlich hohen Energien führen die Wissenschaftler auf Symmetrieeigenschaften zurück. „Unser Ergebnis liefert wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich in topologischen Isolatoren verlustlose Spinströme erzeugen lassen“, erklärt Koautor Oliver Rader vom Helmholtz-Zentrum Berlin: „Das ist für die Entwicklung sogenannter optospintronischer Bauteile wichtig, die die Verarbeitungs- und Speichergeschwindigkeit von Information enorm erhöhen könnten.“

Wegen ihrer besonderen Eigenschaften gelten topologische Isolatoren als vielversprechende Materialklasse für die Entwicklung neuartiger Bauelemente in der Informationstechnologie. Der Spin der Elektronen spielt dabei eine entscheidende Rolle, denn dieser ist in diesem Fall direkt mit der Bewegungsrichtung der Elektronen gekoppelt. Das führt zu einer besonders stabilen und verlustarmen elektrischen Leitung.