Optische Methode zur Feststellung topologischer Phasen in magnetischen Materialien

„Topologische“ Materialien sind faszinierende Festkörper, die nicht in die Standardklassifizierung von Isolatoren und Leitern fallen. Während ihre Masse isolierend ist, zeichnen sich diese Phasen durch elektrisch leitende Kanäle an den Rändern aus. Diese so genannten topologischen Phasen könnten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von stabilen IT- und großen Quantencomputern spielen.

Topologische Phasen sind nicht auf elektronische Systeme beschränkt, sondern können auch in magnetischen Materialien auftreten, deren Eigenschaften durch magnetische Wellen – oder so genannte Magnonen – beschrieben werden. Doch obwohl es inzwischen möglich ist, Magnonenströme zu erzeugen und auszulesen, konnten Forscher*innen topologische Magnonenphasen bislang nicht direkt nachweisen. Ein Forschungsteam aus Deutschland und den Vereinigten Staaten schlägt nun vor, dass solche Phasen direkt durch die Messung des vom Material gestreuten Lichts nachgewiesen werden können. Seine Arbeit ist in Physical Review Letters (PRL) erschienen.

So wie sich eine Schallwelle durch die Luft bewegt, kann sich ein Magnon durch ein magnetisches Material bewegen, indem es eine Störung in seiner magnetischen Ordnung verursacht. Diese Ordnung kann man sich als eine Ansammlung von Kreiseln vorstellen, die eine bestimmte Rotationsachse teilen. Der Effekt der Welle besteht darin, die Achsen der Kreisel leicht zu kippen.

Eine topologische Magnonphase ist mit Kanälen verbunden, die einen Strom von Magnonen entlang der Kanten der Probe führen können. Solche Kantenkanäle können potentiell zur Übertragung von Informationen in zukünftigen Spintronik-Geräten genutzt werden – analog zur Nutzung elektrischer Ströme in elektronischen Geräten. Dies kann jedoch nur geschehen, wenn neue Techniken entwickelt werden, um festzustellen, ob eine magnetische Phase topologisch ist oder nicht.

Das transatlantische Forschungsteam untersuchte eine Klasse magnetischer Materialien mit graphenähnlicher Struktur und analysierte, wie sie das Licht unterschiedlich polarisierter Laser streuen. Die elektrischen Felder polarisierter Laser drehen sich entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn um die Achse des Strahls. Das Team fand heraus, dass sich die Materialien in topologischen Phasen befinden, wenn sich das gestreute Licht der rechts- und linksdrehenden Laser in seiner Intensität unterscheidet. Wenn die Intensität des gestreuten Lichts jedoch keinen Unterschied aufweist, ist das Material nicht in einer topologischen Phase. Die Eigenschaften des gestreuten Lichts sind somit klare Indikatoren für die topologischen Phasen dieser magnetischen Materialien.

Die Technik ist einfach anzuwenden und kann auch auf andere Quasiteilchen ausgedehnt werden, sagt Erstautor Emil Viñas Boström: „Die Raman-Streuung ist eine experimentelle Standardtechnik, die in vielen Labors verfügbar ist. Dies ist eine der Stärken unseres Vorschlags. Darüber hinaus sind unsere Ergebnisse recht allgemein und lassen sich auch auf andere Arten von Systemen anwenden, die aus Phononen, Exzitonen oder Photonen bestehen.“

Langfristig bieten Magnonen viel Potential für nachhaltigere und wesentlich energieeffizientere Technologien: „Die Nutzung topologischer Magnonenströme könnte den Energieverbrauch zukünftiger Geräte im Vergleich zu elektronischen Varianten um einen Faktor von etwa 1.000 reduzieren – obwohl es noch viele Fragen zu klären gibt, bis wir an diesem Punkt ankommen“, so Viñas Boström.

Das Team bestand aus Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg, des MPI für die Physik des Lichts in Erlangen, der Universität Greifswald und der RWTH Aachen (alle in Deutschland) sowie der Columbia University und des Center for Computational Quantum Physics am Flatiron Institute in den Vereinigten Staaten.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Emil Viñas Boström, Erstautor: emil.vinas-bostroem@mpsd.mpg.de

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.026701

Weitere Informationen:

https://www.mpsd.mpg.de/705918/2023-01-magnons-bostroem?c=2724