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.
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.
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“