Entdeckung neuer Quasiteilchen Kristall zeigt ungewöhnliche Symmetrie und elektronische Eigenschaften

Ein besonderes kristallines Material könnte eine Spielwiese neuer exotischer Phänomene eröffnen. Dies glauben Forscher des Paul Scherrer Instituts in der Schweiz. Sie gehören zu den ersten vier Forschergruppen, die experimentell eine neue Art von Quasiteilchen nachgewiesen haben. Ihre Forschung soll Anwendungen der Elektronik, z.B. Quantencomputern, zugutekommen.

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Paul Scherrer Institut Benoit Stef

Villingen/Schweiz – Forschende am Paul Scherrer Institut PSI haben eine neue Sorte Quasiteilchen gefunden. Quasiteilchen sind Zustände im Material, die sich in gewisser Weise wie tatsächliche Elementarteilchen verhalten. So lassen sich beispielsweise verschiedene Gitterschwingungen im Kristall als Phononen beschreiben, sozusagen Schwingungsquasiteilchen.

Eine andere Sorte Quasiteilchen hatten die beiden Physiker William Rarita und Julian Schwinger bereits 1941 vorhergesagt, die nach ihnen als Rarita-Schwinger-Fermionen bekannt wurden. Genau diese wurden nun erstmals experimentell nachgewiesen – unter anderem dank Messungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. „Soweit wir wissen, sind wir – zeitgleich zu drei weiteren Forschungsgruppen – mit die ersten, die Rarita-Schwinger-Fermionen gesehen haben“, freut sich Niels Schröter, Forscher am PSI und Erstautor der neuen Studie.

Wendeltreppen im Kristallgitter

Auf die Quasiteilchen stießen die Forschenden bei der Untersuchung eines neuartigen Materials, eines Aluminium-Platin-Kristalls mit einer ungewöhnlichen Symmetrie, den Kollegen am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden hergestellt haben.

In einem Kristall hat jedes Atom einen exakt zugewiesenen Platz. Eine oft würfelförmige Gruppe beieinanderliegender Atome bildet dabei ein Grundelement, die Einheits- oder Elementarzelle. Diese wiederholt sich in alle Richtungen und bildet so den Kristall mit seinen typischen, auch von außen sichtbaren Symmetrien. „Mit bloßem Auge betrachtet war unser Kristall auch einfach nur ein kleiner Würfel: etwa ein halber Zentimeter groß und schwarz-silbern“, erzählt Schröter. Analysen zeigten jedoch die ungewöhnliche Struktur: So waren einzelne Atome in nebeneinanderliegenden Elementarzellen derart gegeneinander versetzt, dass diese – gedanklich verbunden – der Form einer Wendeltreppe folgten; oder anders gesagt: einer Schraubenlinie. Damit weist der Kristall eine besondere Form der Symmetrie auf: Chiralität.

Kristalline Links- und Rechtshänder

Chirale Materialien lassen sich mit unseren Händen vergleichen: Die rechte Hand ist ein Spiegelbild von der linken. In chiralen Kristallen bedeutet dies, dass in einigen Exemplaren die gedachte Wendeltreppe der Atome linksherum verläuft, in anderen dagegen rechtsherum. Egal, wie man den einen Kristall dreht und anschaut, er wird sich immer vom „andershändigen“ Kristall unterscheiden. „Wir Forschenden finden chirale Materialien sehr spannend, denn mathematische Modelle machen etliche Voraussagen, dass sich darin exotische physikalische Phänomene finden lassen“, sagt Vladimir Strocov, PSI-Forscher und Mitautor der aktuellen Studie.

Mit der Röntgenstrahlung der SLS und über die Methode der Photoelektronenspektroskopie machten die Forschenden die elektronischen Eigenschaften im Inneren des Kristalls sichtbar. Komplementäre Messungen desselben Kristalls an der Diamond Light Source im englischen Oxfordshire erlaubten zudem den Blick auf die elektronischen Strukturen an seiner Oberfläche. Diese Untersuchungen zeigten, dass es sich bei dem Kristall nicht nur um ein chirales Material handelte, sondern zusätzlich um ein topologisches. „Wir nennen diese Materialsorte ein chirales topologisches Semimetall“, sagt Strocov.

Die seltsame Welt der Topologie

Topologische Materialien rückten durch den Physik-Nobelpreis im Jahr 2016 in die Öffentlichkeit, als drei Forscher für ihre Untersuchungen topologischer Phasen und Phasenübergänge ausgezeichnet wurden.

Die Topologie ist ein Bereich der Mathematik, der sich mit Strukturen und Formen beschäftigt, die einander ähnlich sind. Beispielsweise lässt sich aus einer Knetkugel nur durch Drücken und Ziehen ein Würfel, ein Teller oder eine Schüssel formen – all diese Formen sind also einander topologisch gleich. Um jedoch einen Donut oder eine Acht zu erhalten, muss man Löcher in den Ton machen: eines für den Donut, zwei Löcher für die Acht.

Topologisch gibt es keinen Unterschied zwischen einem Kaffeebecher und einem Donut: Wenn beide Formen aus Knete sind, lassen sie sich ineinander überführen, ohne dass sich die Zahl der Ringe/Löcher verändert:

Diese Einteilung nach der Anzahl der Löcher sowie weitere Eigenschaften der Topologie übertrugen schon die 2016 mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Wissenschaftler auf andere physikalische Eigenschaften von Materialien. So entstand beispielsweise die Theorie von topologischen Quantenflüssigkeiten.

„Dass unser Kristall ein topologisches Material ist, bedeutet, dass im übertragenen Sinne die Anzahl der Löcher im Inneren des Kristalls eine andere ist als außerhalb des Kristalls. An dem Übergang zwischen Kristall und Luft, also an der Kristalloberfläche, ist die Anzahl der Löcher darum nicht gut definiert. Klar ist jedoch: Hier ändert sie sich“, führt Schröter aus. „Wir sagen dazu, dass an der Kristalloberfläche ein topologischer Phasenübergang stattfindet. Als Folge entstehen dort neue elektronische Zustände: so genannte topologische Fermi-Bögen.“

Quasiteilchen im Inneren, Fermibögen an der Oberfläche

Genau die Kombination dieser beiden Phänomene, der Chiralität sowie der Topologie des Kristalls, führen zu den ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften, die sich ebenfalls im Inneren des Materials sowie an seiner Oberfläche unterscheiden.

Während die Forschenden im Inneren des Materials die Rarita-Schwinger-Fermionen nachweisen konnten, offenbarten komplementäre Messungen an der englischen Synchrotronstrahlungsquelle Diamond Light Source andere exotische elektronische Zustände an der Oberfläche des Materials: Vier Fermi-Bögen, die zudem alle deutlich länger sind als bisher beobachtete Fermi-Bögen. „Es ist ganz klar, dass die Rarita-Schwinger-Fermionen im Inneren und diese besonderen Fermi-Bögen an der Oberfläche zusammenhängen. Beide werden bedingt dadurch, dass es sich um ein chirales topologisches Material handelt“, sagt Schröter.

Chemiker synthetisieren molekulare Qubits

Molekül als Recheneinheit für Quantencomputer

„Es geht aber nicht nur um diese beiden elektronischen Eigenschaften. Die Entdeckung topologischer chiraler Materialien wird eine ganze Spielwiese von neuen exotischen Phänomenen eröffnen“, meint Schröter. Für neue Materialien und exotische Verhaltensweisen von Elektronen interessieren sich Forschende, weil einige davon sich für Anwendungen in der Elektronik der Zukunft eignen könnten. Das Ziel ist – beispielsweise mit Quantencomputern – eine auch in Zukunft immer dichtere und schnellere Speicherung sowie Datenübertragung zu erhalten sowie den Energieverbrauch der elektronischen Bauteile zu senken.

Originalpublikation: N. B. M. Schröter, D. Pei, M. G. Vergniory, Y. Sun, K. Manna, F. de Juan, J. A. Krieger, V. Süss, M. Schmidt, P. Dudin, B. Bradlyn, T. K. Kim, T. Schmitt, C. Cacho, C. Felser, V. N. Strocov, and Y. Chen: Chiral topological semimetal with multifold band crossings and long Fermi arcs. Nature Physics 6. Mai 2019; DOI: 10.1038/s41567-019-0511-y

* Dr. L. Elena Hennemann, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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