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Dec 03, 2023

Quantenmysterien aufdecken: Neues Tool entwirrt die Schicht der elektronischen Zustände

Von University of Chicago, 20. Mai 2023 Das neue Tool entwirrt die elektronischen Zustände. Bildnachweis: Illustration von Woojoo Lee und Peter Allen Forscher der 1890 gegründeten University of Chicago

Von der University of Chicago, 20. Mai 2023

Das neue Tool entwirrt die elektronischen Zustände. Bildnachweis: Illustration von Woojoo Lee und Peter Allen

Researchers at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Die Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago hat ein neuartiges Instrument entwickelt, das dabei helfen kann, den Ursprung elektronischer Zustände in technischen Materialien aufzudecken und so den Weg für deren Verwendung in zukünftigen Anwendungen der Quantentechnologie zu ebnen.

Assistenzprofessor Shuolong Yang und sein Team haben dieses innovative Werkzeug entwickelt, um das Verständnis magnetischer topologischer Isolatoren zu verbessern – Materialien mit einzigartigen Oberflächenmerkmalen, die eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Quanteninformationstechnologien spielen könnten.

Mithilfe einer Technik namens schichtkodierte Frequenzbereichs-Photoemission senden Forscher zwei Laserimpulse in ein geschichtetes Material. Die resultierenden Schwingungen ermöglichen es Forschern in Verbindung mit der Energiemessung, einen „Film“ zusammenzustellen, der zeigt, wie sich Elektronen in jeder Schicht bewegen.

„Wenn wir in unserem täglichen Leben ein Material besser verstehen wollen – seine Zusammensetzung oder ob es hohl ist – klopfen wir darauf“, sagte Yang. „Dies ist ein ähnlicher Ansatz auf mikroskopischer Ebene. Unsere neue Technik ermöglicht es uns, auf geschichtete Materialien zu „klopfen und zuzuhören“ und konnte zeigen, dass ein bestimmter magnetischer topologischer Isolator anders funktioniert, als die Theorie vorhersagt.“

The results were published in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Naturphysik.

Das Verständnis von Schichtmaterialien ist wichtig, da viele Materialwissenschaftler heute Materialien auf atomarer Ebene in einem Schicht-für-Schicht-Prozess entwerfen und herstellen, indem sie zwei oder mehr Materialien miteinander kombinieren, um ein neues Material zu schaffen. Der Aufbau dieser Materialien von Grund auf ermöglicht es ihnen, Materialien mit neuen Eigenschaften für zukünftige Technologien zu schaffen.

Als Wissenschaftler den zweischichtigen magnetischen topologischen Isolator (MnBi2Te4)(Bi2Te3) durch die Kombination eines magnetischen Materials mit einem nichtmagnetischen Material schufen, entwickelten sie ein Material mit exotischen Quanteneigenschaften. Elektronen bewegen sich um den Umfang der Oberfläche herum und behalten dabei sowohl ihre Energie als auch ihre Quanteneigenschaften bei. Dieser Superstrom könnte möglicherweise zur Übertragung von in Qubits gespeicherten Informationen in zukünftigen Quantencomputern genutzt werden.

Da diese Schichten so dünn sind – in der Größenordnung von wenigen Nanometern – können herkömmliche Methoden zur Materialcharakterisierung wie die Spektroskopie nicht zwischen den Schichten unterscheiden. Während sich die Elektronen idealerweise um die Oberfläche des magnetischen Materials bewegen sollten, zeigten frühere Experimente anderer Gruppen, dass sie möglicherweise stattdessen um das nichtmagnetische Material herumschwirren.

Um zu verstehen, was in den beiden verschiedenen Schichten passiert, sendet das neue Werkzeug zunächst einen Femtosekunden-Infrarotimpuls (oder eine Billiardstelsekunde) aus. Dieser kurze Impuls bewirkt, dass die Schichten je nach Zusammensetzung unterschiedlich schwingen. Anschließend senden die Forscher einen zweiten ultravioletten Laserpuls aus, der die Energie und den Impuls der Elektronen im Material messen kann. Zusammen können die beiden Messungen die Elektronenbewegung über die Zeit aufzeichnen.

„Es ist im Wesentlichen ein Film im Femtosekunden-Zeitraum“, sagte Yang. „Und es ermöglicht uns zu erkennen, welche Elektronen aus welcher Schicht stammen.“

Als sie die Technik auf das Material (MnBi2Te4)(Bi2Te3) anwendeten, stellten sie fest, dass sich der spezielle elektronische Zustand nicht in der magnetischen Schicht befand, was theoretischen Vorhersagen widerspricht. Da das Material jedoch drastisch verbesserte Quanteneigenschaften hätte, wenn dieser Superstrom innerhalb der magnetischen Schicht läge, motivierten Yang und sein Team die Forschungsgemeinschaft insgesamt, wieder ans Reißbrett zu gehen und das Material neu zu konstruieren.

Laut Yang könnte diese Technik auch dazu genutzt werden, andere spezielle Materialien besser zu verstehen, etwa topologische Supraleiter und sogenannte Twistronics, geschichtete Materialien, die in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind, um ein unterschiedliches elektronisches Verhalten zu erzeugen.

„Wenn Sie neue Materialien für zukünftige Anwendungen entwickeln, ist es wichtig, dass es eine Rückkopplungsschleife zwischen Synthese und Charakterisierung gibt“, sagte er. „Das wird die nächste Iteration der Synthese leiten und uns helfen, die technologische Lücke zu schließen.“

Referenz: „Layer-by-layer disentanglement of Bloch states“ von Woojoo Lee, Sebastian Fernandez-Mulligan, Hengxin Tan, Chenhui Yan, Yingdong Guan, Seng Huat Lee, Ruobing Mei, Chaoxing Liu, Binghai Yan, Zhiqiang Mao und Shuolong Yang, 23. März 2023, Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-023-02008-4

Die Studie wurde vom US-Energieministerium und der National Science Foundation finanziert.

Weitere Autoren des Artikels sind der Postdoktorand Woojoo Lee, der ehemalige Forschungspraktikant Sebastian Fernandez-Mulligan und der ehemalige Postdoktorand Chenhui Yan; Hengxin Tan und Binghai Yan vom Weizmann Institute of Science; und Yingdong Guan, Seng Huat Lee, Ruobing Mei, Chaoxing Liu und Zhiqiang Mao von der Pennsylvania State University.