Festkörperforschung Einfache Bestimmung der Geometrie von Elektronenbändern

Das Bild zeigt einen der versierten experimentellen Kniffe, den die LMU- und MPQ-Forscher nutzten: Wirken hohe Kräfte auf ein Atom, verhalten sich die Energiebänder, als wären sie entartet (gleicher Energiezustand) und ihre Geometrie lässt sich durch bekannte theoretische Modelle ermitteln.
Das Bild zeigt einen der versierten experimentellen Kniffe, den die LMU- und MPQ-Forscher nutzten: Wirken hohe Kräfte auf ein Atom, verhalten sich die Energiebänder, als wären sie entartet (gleicher Energiezustand) und ihre Geometrie lässt sich durch bekannte theoretische Modelle ermitteln.

Die geometrischen und topologischen Strukturen von Energiebändern in Festerkörpern beeinflussen deren elektrische Eigenschaften, können aber bisher experimentell nur schwer bestimmt werden. Forscher des Max-Planck-Instituts und der Ludwig-Maximilians-Universität München schaffen jetzt Abhilfe.

Eine »verblüffend einfache Methode zur direkten Messung der Geometrie elektronischer Bänder« haben Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) kürzlich in der Fachzeitschrift »Science« vorgestellt, wie das MPQ mitteilte. Bedarf an effizienten Messverfahren für die Geometrie von Energiebändern auf aktuellen Forschungsgebieten wie den topologischen Isolatoren.

In ihrer Arbeit nutzten die Forscher um Prof. Immanuel Bloch (LMU) ultrakalte Atome in optischen Gittern (Bild) und rekonstruierten trickreich experimentellen einen Spezialfall für dieses System, auf den sich bereits bestehende theoretische Grundlagen anwenden lassen, die die Geometrie der elektronischen Bänder in einem Festkörper direkt beschreiben (sog. Wilson-Linien). Mit dem so erzeugten künstlichen System können die Forscher das Verhalten von Elektronen in realen Festkörpern simulieren, der frei von störenden Gitterdefekten ist.

Mit ihrer Methode bestimmten die Forscher lokale geometrische Eigenschaften des Energiebandes für Festkörper mit einem bestimmten Gittertyp und deren globale topologische Struktur. Über Variation der Intensität und der Polarisation des Laserlichts, mit dem das optische Gitter aufgespannt wird, lassen sich unterschiedliche Typen von Festkörper-Kristallgittern simulieren. Laut dem MPQ ist es mit der aufgezeigten Methode auch möglich, die Bandgeometrie und -topologie von künstlich hergestellten Materialien zu bestimmen, die eine komplexe Festkörper-Gitterstruktur aufweisen.