3D-Materialien für elektronische Anwendungen
Die Forscher des Projekts OPTCHATRA (Optical charge transfer processes in early stages of photosynthesis from first-principle computational techniques) demonstrierten, wie mit Femtosekunden-Laserpulsen zwischen Dirac-halbmetallischen und topologischen Isolatorzuständen umgeschaltet werden kann. Halbmetalle sind für die Forschung besonders interessant, da sie nicht nur als kondensierte Materie für elementare Fermionen von Bedeutung sind, sondern auch ungewöhnliche Eigenschaften wie hohe negative Magnetwiderstände haben. Die topologischen Zustände in diesen Materialien werden über Symmetrien gesteuert. Bislang konnten Symmetrien nur langsam verändert werden, etwa durch Dehnung, Dotierung oder magnetische bzw. elektrische Felder. Ein ultraschnelles Verfahren zur dynamischen Symmetriebrechung ist die so genannte Floquet-Methode. Mittels TD-DFT (zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie) zeigten die Forscher, dass ein Halbmetall durch Brechung der Zeitumkehrsymmetrie erzeugt wird, was durch zirkular polarisierte Laserpulse unterschiedlicher Stärken erreicht werden kann. Mit TD-DFT wurden elektronische Eigenschaften untersucht und ein dynamisches Screening von Materialien durchgeführt. Tatsächlich hat der in OPTCHATRA angewandte Ansatz Effekte aufgezeigt, die andere theoretische Modelle nicht liefern konnten. Beispielsweise induzieren Interaktionen zwischen Elektronen durch linear polarisiertes Pumpen eine Symmetriebrechung. Um die Idee dynamisch veränderlicher Halbmetalle zu veranschaulichen, wurde mit einem Ab-Initio-Modell des topologischen Dirac-Halbmetalls Na3Bi gearbeitet. Obwohl dabei nur prototypische Na3Bi untersucht wurden, treffen die Ergebnisse generisch auf jedes Dirac-Halbmetall zu, wie in der Fachzeitschrift Nature Communications Publikation dargelegt wird. Diese Klasse von Materialien repräsentiert einen außergewöhnlicher Zustand von Quantenmaterie, ein "3D-Graphen". Ihr werden besondere elektronische Eigenschaften zugeschrieben, sodass sie als Plattform für systematische Analysen von Quantenphasenübergängen dienen kann. OPTCHATRA hat damit wichtige Fortschritte zu diesem neuen Forschungsthema der Materialwissenschaften gemacht.
Schlüsselbegriffe
OPTCHATRA, Femtosekunden-Laserpulse, Dirac-Halbmetall, topologischer Isolator, Symmetriebrechung
