Spintronik Verlustfreier Transport von Elektronen sichtbar gemacht

Bild. Grafische Darstellung der Elektronenverteilungen eines dreidimensionalen topologischen Isolators vor der Anregung durch einen Laser-Impuls (links oben), kurz nach dem Impuls (oben rechts), wenige Femtosekunden später (links unten) und nach der Rückkehr in den Grundzustand (rechts unten).
Bild. Grafische Darstellung der Elektronenverteilungen eines dreidimensionalen topologischen Isolators vor der Anregung durch einen Laser-Impuls (links oben), kurz nach dem Impuls (oben rechts), wenige Femtosekunden später (links unten) und nach der Rückkehr in den Grundzustand (rechts unten).

Der Elektronentransport auf der Oberfläche eines sogenannten topologischen Isolators ist, ähnlich wie bei der Supraleitung, verlustfrei. Eine Bildsequenz zeigt zum ersten Mal den zeitlichen Verlauf der Verteilung dieser besonderen Systeme, die künftig bei der Entwicklung spintronischer Bauelemente eine wichtige Rolle spielen könnten.

"Topologische Isolatoren" sind physikalische Strukturen, die in ihrem Inneren keinen Elektronentransport zulassen, auf der Oberfläche aber elektrisch leitfähig sind. Solche Systeme entstehen, wenn sich an der Oberfläche eines Kristalls elektronische Zustände ausbilden, deren Energieniveaus in der Bandlücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband des Isolators liegen.

Der Spin der auf diesen Oberflächenzuständen sitzenden Elektronen ist dabei stets senkrecht zum Kristall ausgerichtet. Diese Festlegung der Richtung des Elektronenspins führt zu interessanten Eigenschaften, etwa zu einem verlustfreien Transport der Elektronen auf der Oberfläche.

Die Existenz solcher Materialsysteme wurde erst im Jahr 2005 vorhergesagt, die ersten experimentellen Nachweise gelangen nur wenige Jahre später. Allerdings gelang der Nachweis der Oberflächenzustände mit der Methode der winkelaufgelösten Photoelektronen-Spektroskopie, mit der sich die energetischen Zustände und die Spinpolarisation der Elektronen, nicht aber die vorhergesagten Transportphänomene nachweisen lassen.

Experimenteller Nachweis am MIT

Für den experimentellen Nachweis der Bewegung von Elektronen auf einem topologischen Isolator haben die MIT-Wissenschaftler Yihua Wang und Nuh Gedik eine Methode entwickelt, mit der sie die Elektronenbewegungen sichtbar machen können. Hierzu regen sie die Elektronen mit einem kurzen Impuls aus Laser-Licht an, mit einem zweiten, kurz darauf folgenden Laser-Lichtimpuls erstellen sie ein Bild der Elektronenverteilung.

Dieser Prozess wird fortlaufend wiederholt, dabei wird der zeitliche Abstand der beiden Laser-Impulse fortlaufend um wenige Femtosekunden erhöht. Jedes Bild zeigt also einen späteren Zeitpunkt der Reaktion der Elektronen auf den Anregungsimpuls. Die Einzelbilder lassen sich zu einer kurzen Videosequenz zusammenstellen, der zeigt, wie die Elektronen auf die Anregung mit dem Laser reagieren. Der Vorgang selbst dauert nur etwa fünf Picosekunden.

Mit der Methode konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass bei der Anregung zwischen den Elektronen im Valenzband und denen in den Oberflächenzuständen eine Wechselwirkung stattfindet, die durch akustische Gitterschwinungen (Phononen) vermittelt wird.

Der praktische Nutzen der topologischen Isolatoren liegt darin, dass sich damit u.U. spintronische Bauelemente realisieren lassen; dazu zählen dann magnetische Speicherelemente, die die heutigen Festplatten ersetzen könnten.