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NIM nanosystems initiative munich
Aktuelles

Dienstag, 23. Januar 2018

Licht-gelenkte spinpolarisierte Ströme in Topologischen Isolatoren

Quantenphysik

Helizität-abhängige Beeinflussung der Randströme. Bild: A. Holleitner

Helizität-abhängige Beeinflussung der Randströme. Bild: A. Holleitner

Topologische Isolatoren sind eine außergewöhnliche Materialgruppe. Fließt ein elektrischer Strom in dem Material, so bildet sich eine Spinpolarisierung der Elektronen aus. NIM-Wissenschaftler Prof. Dr. Alexander Holleitner und seine Kooperationspartner konnten diesen Effekt jetzt erstmals optisch bei Raumtemperatur messen. Mit einem zirkular polarisierten Lichtstrahl können sie die an den Rändern der Probe entstehende Spinpolarisation auslesen.


Vor rund zehn Jahren entdeckten Wissenschaftler eine Materialgruppe mit ungewöhnlichen Eigenschaften, die „topologischen Isolatoren“. Ihr Inneres wirkt als Isolator, aber die Oberfläche leitet Strom überdurchschnittlich gut. Der Gruppe des NIM-Physikers Professor Öffnet externen Link in neuem FensterAlexander Holleitner ist es gelungen, Elektronen mit unterschiedlicher Magnetisierung, in der Fachsprache Spinpolarisierung genannt, zu den gegenüberliegenden Rändern des topologischen Isolators zu lenken.

Das Besondere ist, dass hierfür kein äußeres Magnetfeld benötigt wird. Die unterschiedliche Spinpolarisierung rührt vielmehr von einer unterschiedlichen Ausrichtung des Elektronen-Spins aufgrund der sogenannten Spin-Bahn-Kopplung her. Durch die feste Kopplung von Spin und Bewegungsrichtung lassen sich die Ladungsträger manipulieren. Dabei machten die Forscher die Entdeckung, dass sich dieser Effekt umkehren lässt, d.h. durch Aufrägen einer Magnetisierung durch polarisiertes Licht, auch den elektrischen Stromfluss an den Rändern der Proben zu beeinflussen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der neuesten Ausgabe von Öffnet externen Link in neuem FensterNature Communications veröffentlicht.

Die bekanntesten Vertreter für topologische Isolatoren sind die Schwermetalllegierungen Bismut-Selenid oder Bismut-Tellurid. Für die außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften machen Wissenschaftler ein Phänomen der Quantenphysik verantwortlich: der sogenannte Spin-Hall-Effekt. Sie konnten beobachten, dass alle Elektronen, die sich in den Oberflächenschichten bewegen, einen eindeutig festgelegten Spin haben. Hierbei unterscheiden sie sich laut Fachsprache „topologisch“ von Elektronen im Inneren der Materialien. Von diesem Spin hängt ab, in welche Richtung ein Elektron an der Oberfläche wandert: Ein Teilchen mit positivem Spin wandert stets in die entgegengesetzte Richtung wie ein Teilchen mit negativem Spin.
Holleitner und seine Kollegen machten die erstaunliche Entdeckung, dass dies auch im Inneren des Materials gilt, wenn dieses leitfähig ist. Fließt ein elektrischer Strom durch den topologischen Isolator, so bewegen sich Elektronen mit unterschiedlichem Spin in entgegengesetzte Richtungen und sammeln sich an den Rändern des Materials an. Wegen des Ungleichgewichts in der Spin-Verteilung entsteht eine Magnetisierung in den Oberflächenzuständen.

Magnetischer Stromfluss: Der Spin-Strom
In normalen Leitern wird der elektrische Strom stets von Elektronen mit verschiedenen Ausrichtungen des Spins transportiert. Die Elektronen in topologischen Isolatoren hingegen lassen sich aufgrund der festen Kopplung von Spin und Bewegungsrichtung besonders manipulieren, ohne dass hierfür der Einsatz von aufwändigen Magnetfeldern oder magnetischen Materialien nötig ist.
„Eine derartige Kontrolle des elektronischen Spins ist die Grundvoraussetzung für die Realisierung der sogenannten Spin-basierten Elektronik.“, erklärt Erstautor Paul Seifert, der die Experimente geplant und durchgeführt hat. Von dieser Technologie erhoffen sich Wissenschaftler beispielsweise deutlich leistungsstärkere Computer oder eine sicherere Verschlüsselung von Daten.

Messung mit polarisiertem Licht
Minimale elektrische Ströme und deren Magnetisierung können mit polarisiertem Licht direkt detektiert werden. In ihrem aktuellen Versuch platzieren sie einen topologischen Isolator zwischen zwei Elektroden und regen das Material mit einem zirkular polarisierten Laser an. Durch die Wahl einer geeigneten Polarisation des Lasers lässt sich eine Magnetisierung aufprägen, da Elektronen mit unterschiedlichem Spin selektiv angeregt werden können.
Über einen Schaltkreis können die Wissenschaftler verfolgen, wie sich ein spinpolarisierter Strom an den Rändern des topologischen Isolators ändert, wenn sie die Polarisation des Lichts verändern. Zudem beobachteten sie, dass die lokale Magnetisierung des topologischen Isolators auch die Polarisation des Lichts, welches von dem metallischen Material reflektiert wird, verändern kann. Somit gelang es ihnen, die vom Stromfluss erzeugte Magnetisierung bzw. Spinpolarisation direkt nachweisen.


Förderung:

Die Experimente sind durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des DFG Projekts 3324/8-1 innerhalb des Schwerpunkts SPP 1666 und des Excellenzclusters “Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) finanziell gefördert. Die Ko-Autoren Dr. K. Vaklinova, Prof. K. Kern und Dr. M. Burghard arbeiten am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Der Ko-Autor Sergey Ganichev arbeitet am Terahertz Zentrum der Universität Regensburg.


Publikation:
Spin Hall photoconductance in a three-dimensional topological insulator at room temperature. Paul Seifert, Kristina Vaklinova, Sergey Ganichev, Klaus Kern, Marko Burghard und Alexander W. Holleitner. Nature Communications 9, article number 331 (2018), published online 23 January 2018, doi: Öffnet externen Link in neuem Fenster10.1038/s41467-017-02671-1

Kontakt:
Prof. Dr. Alexander Holleitner
Walter Schottky Institut / Physik-Department
Zentrum für Nanotechnologie und Nanomaterialien
Technische Universität München
Am Coulombwall 4a
D - 85748 Garching

Tel: 089/289-11575

E-Mail: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailholleitner(at)wsi.tum.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.nanoptronics.de

VERANSTALTUNGEN

Montag, 04. Juni 2018

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Prof. Dr. Julia W P Hsu, Materials Science and Engineering Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, University of Texas at Dallas (UT Dallas), USA

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