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Lichtin­duzier­ter Strom in Weyl-Halbme­tal­len

Laura Diebel stu­diert im Elite­studi­enpro­gramm „Phy­sik mit Inte­grier­tem Dok­toran­den­kol­leg“ an der Uni­versi­tät Re­gens­burg. Im Rah­men eines For­schungspro­jekts am Bos­ton Col­lege in den USA be­schäf­tigte sie sich mit den elekt­roopti­schen Eigen­schaf­ten von Weyl-Halbme­tal­len.

Weyl-Halbmetalle: Materialien mit besonderen elektronischen Eigenschaften

In vielen Berei­chen der In­dustrie und unse­res All­tags ist eine effek­tive Um­wand­lung von Lich­tener­gie in elektrischen Strom von großer Be­deu­tung. Hierzu zählen die Ge­win­nung von saube­rer Ener­gie, Bild­ge­bungspro­zesse in un­ter­schiedlichen An­wen­dun­gen, die Kom­muni­kati­ons­tech­nik und chemi­sche und biolo­gische Detek­toren.

Während ihres For­schungspro­jekts am Bos­ton Col­lege unter­suchte Laura Diebel die durch polari­siertes Laser­licht indu­zierten elektrischen Strö­me in Weyl-Halbme­tallen. Diese Mate­rialien besit­zen be­sonde­re Ei­gen­schaf­ten, die eine effizi­ente Um­set­zung von Licht in elektrischen Strom ermög­li­chen.

Die Be­son­derheit der Weyl-Halbme­talle liegt in ihren unge­wöhn­lichen Elekt­ronen­zu­stän­den. Inner­halb dieser Mate­rialien befin­den sich soge­nannte Weyl-Knoten, welche sich dadurch aus­zeich­nen, dass sie eine Helizi­tät, das heißt eine feste Bezie­hung zwi­schen dem Spin der Elekt­ronen und der Bewe­gungs­rich­tung der Elekt­ronen besit­zen. Sie sind ent­weder paral­lel oder antipa­rallel zuei­nander ausge­richtet. Diese Eigen­schaft be­zeich­net man als topo­logi­sche Eigen­schaft dieses Mate­rials. Eine der wohl be­kann­testen und bester­forsch­ten topo­logi­schen Mate­rialien ist das Gra­phen. Im Ge­gen­satz zu diesem Mate­rial, in dem der topo­logi­sche Effekt ein Ober­flä­chen­effekt und somit ein zwei­di­mensi­onaler Effekt ist, treten die be­sonde­ren Kno­ten in den bisher weni­ger er­forsch­ten Weyl-Halbme­tallen im Volu­men auf und sind somit drei­di­mensi­onal.

Effiziente Stromgewinnung aus Lichtenergie

Diese Eigen­schaft lässt sich nut­zen, um Licht zur Erzeu­gung eines elektrischen Stroms zu nut­zen. Hier­bei über­trägt das einge­strahl­te Licht Ener­gie auf die Elekt­ronen und be­wirkt eine Aus­len­kung der Elekt­ronen in den Weyl-Knoten aus ihrer Ruhe­positi­on. In Kom­binati­on mit dem Um­stand einer inver­sions­sym­met­riebre­chen­den Mate­rial­rich­tung ergibt dies einen effek­tiven Strom­fluss. Die Vor­teile dieses Mate­rials ge­gen­über ande­ren Mate­rialien liegen darin be­grün­det, dass dieser Gene­rati­ons­me­chan­ismus schnell, effi­zient und in einem breiten Wel­len­län­genbe­reich des Lichts ein­setzbar ist.

Während ihres For­schungspro­jekts hat Laura Die­bel, Stu­dentin des Elite­studi­en­gangs „Physik mit Inte­grier­tem Dok­toran­den­kolleg“ diese licht­indu­zierten elektrischen Strö­me in dem Weyl-Halbme­tall TaAs bei Raum­tempe­ratur ge­mes­sen. Das Hauptau­gen­merk lag hierbei auf Mes­sungen des indu­zierten Pho­tostroms in Ab­hän­gigkeit von der Polari­sation des einge­strahl­ten Laser­lichts für unter­schiedliche Kris­tall­rich­tun­gen. Zu­dem wur­den Mes­sungen durch­ge­führt, um den Effekt von ande­ren strom­indu­zie­renden Effek­ten wie bei­spielsweise einem ther­mi­schen Effekt abzu­gren­zen. Die wäh­rend des For­schungspro­jekts ge­sam­melten Daten und Er­kennt­nisse sind Teil einer Publi­kation, welche zeigt, dass der Glass-Koeffi­zient, wel­cher ein Maß für die Effizi­enz der Erzeu­gung elektrischen Stroms aus Licht ist, dieses Mate­rials für Licht im Mit­telinf­rarot­be­reich ge­gen­über ande­ren Mate­rialien sehr groß ist.

Text: Elitestudiengang „Physik mit integriertem Doktorandenkolleg“