Berry-Krümmung optisch bestimmt: Forschende aus Jena und Regensburg messen Quantengeometrie mit Laserpulsen
Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Universität Regensburg haben eine Methode entwickelt, mit der sich die Berry-Krümmung von Elektronen mit Licht bestimmen lässt. Diese bislang schwer zugängliche Quanteneigenschaft beschreibt bestimmte geometrische Eigenschaften der quantenmechanischen Zustände von Elektronen. Das Team untersuchte sie an einer nur eine Atomlage dünnen Schicht des Halbleiters Wolframdiselenid und nutzte dafür ultrakurze Laserpulse. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Nature Photonics“ erschienen.
JenaMedia – Veranstaltunstipp:
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Berry-Krümmung: Eine schwer messbare Quanteneigenschaft
Elektronen bewegen sich in einem Kristall nicht einfach wie kleine Teilchen auf festen Bahnen. Ihr Verhalten wird durch quantenmechanische Zustände bestimmt. Die geometrischen Eigenschaften dieser Zustände fassen Forschende unter dem Begriff „Quantengeometrie“ zusammen.
Eine wichtige Größe der Quantengeometrie ist die Berry-Krümmung. Sie beeinflusst unter anderem, wie Elektronen auf Licht oder elektrische Felder reagieren.
Bislang wird die Berry-Krümmung vor allem theoretisch berechnet oder mit vergleichsweise aufwendigen experimentellen Methoden untersucht. Das Team aus Jena und Regensburg verfolgt einen anderen Ansatz: Es verbindet optische Messungen mit einem analytischen Modell. Daraus schätzen die Forschenden die lokale Berry-Krümmung des Materials quantitativ ab.
„Wir wollten eine Quanteneigenschaft zugänglich machen, die experimentell bislang nur schwer zu bestimmen ist“, sagt Erstautorin Nele Tornow vom Institut für Festkörperphysik der Universität Jena. „Das Besondere an unserem Ansatz ist, dass wir ein optisches Experiment mit einem theoretischen Modell verbinden und daraus einen konkreten Wert für die Berry-Krümmung erhalten.“
JenaMedia – Veranstaltungshinweis
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Zwei ultrakurze Laserpulse liefern das Messsignal
Für das Experiment verwendeten die Forschenden Wolframdiselenid. Die untersuchte Schicht des Halbleiters ist weniger als einen Nanometer dick. Solche atomar dünnen Materialien reagieren besonders deutlich auf Licht und eignen sich deshalb gut für nichtlineare optische Experimente.
Das Team schickte zwei ultrakurze Laserpulse auf die Probe. Der erste verändert für einen winzigen Moment die elektronischen Zustände des Materials. Der zweite dient dazu, diese Veränderung optisch auszulesen. Dabei entsteht Licht mit der doppelten Frequenz des eingestrahlten Lichts. Aus dessen Polarisation – vereinfacht gesagt aus der Art, wie das Licht schwingt – gewinnen die Forschenden Informationen über die Berry-Krümmung.
Der Effekt spielt sich innerhalb weniger hundert Femtosekunden ab. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstelsekunde. Ändert das Team die Drehrichtung des ersten, zirkular polarisierten Laserpulses, kehrt sich auch das Vorzeichen des gemessenen Signals um.
Aus den Messdaten bestimmten die Forschenden die Berry-Krümmung. Das Ergebnis stimmte mit theoretischen Berechnungen überein.
Quantengeometrie auf extrem kurzen Zeitskalen untersuchen
Giancarlo Soavi vom Institut für Festkörperphysik und dem Abbe Center of Photonics der Universität Jena ordnet die Möglichkeiten des Verfahrens ein: „Mit der optischen Methode können wir solche Eigenschaften auf extrem kurzen Zeitskalen untersuchen. Damit können wir künftig auch verfolgen, wie sich die Quantengeometrie eines Materials während sehr schneller Prozesse verändert.“
Verfahren auch auf andere Materialien übertragbar
Das Experiment wurde an Wolframdiselenid demonstriert. Der grundlegende Ansatz ist nach Angaben des Forschungsteams jedoch nicht auf diese Materialklasse beschränkt. Sowohl das Messprinzip als auch das gemeinsam mit Forschenden der Universität Regensburg entwickelte Modell lassen sich grundsätzlich auf weitere Materialien übertragen.
Langfristig könnte die Methode dazu beitragen, geometrische Eigenschaften elektronischer Zustände genauer zu untersuchen und ihr Verhalten in schnellen optischen Prozessen besser zu verstehen.
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Info, UNI Jena | Fotos, Nicole Nerger // Uni Jena und Frank Liebold | Veranstaltungen im Eventkalender
