Weyl-pontok nyomában: Kaiserslauteri fizikusok publikációja „szerkesztői javaslatként” megjelent

A Fourier-transzformációs infravörös spektrométerrel kísérletileg kimutatott Weyl-pont. Jól látható, ahogyan a két sáv érintkezik. (Forrás: C. Jörg / S. Vaidya / J. Noh)

Per mezőemissziós rács-elektronenmikroszkópia láthatóvá válik a chiral, fa-rakás-szerű szerkezet a fotonikus kristályokban, amelyeket a kutatók két-fotonos polimerizációval készítettek és vizsgálataik során használtak. (Forrás: C. Jörg)

Az anyag, ami vezet és szigetel – létezik ilyen? Igen, a kutatók 2005-ben először írták le az úgynevezett topológiai szigetelőket, amelyek belül megakadályozzák az áramfolyást, de a felületen rendkívül vezetőképesek. Az állapotok, amelyek háromdimenziós szilárdtestekben a zavaróhelyek körül kialakulnak, ismét a úgynevezett Weyl-pontokon lógnak. Egy Pennsylvania State University (PSU) és a TU Kaiserslautern (TUK) kutatócsapata nemrég sikeresen láthatóvá tette ezeket a pontokat infravörös fénnyel. A szakfolyóirat, a Physical Review Letters publikációját „szerkesztői javaslatként” tette közzé.

Valójában a Kaiserslauteri fizikus, Dr. Jörg Christina márciusban szívesen személyesen kezdte volna meg posztdoktori helyét a Pennsylvania State Universityn. Azonban a COVID-19 megakadályozta a Humboldt-ösztöndíjas életét. Ehelyett lehetőséget kapott arra, hogy otthonról kezdje el a posztdoktori kutatást, és a TUK-nál, a „Optikai technológiák és fotonika” csoportban, Prof. Dr. Georg von Freymann irányításával végezze kísérleteit. Egy szerencsés véletlen, ahogy gyorsan kiderült. „Folytatom a már az USA-ban megkezdett kutatást, azaz a felületi állapotokat és ezzel összefüggésben a topológiai fotonikus kristályokban lévő optikai Weyl-pontokat jellemzem” – magyarázza a fizikusnő. „Az USA-ban a pandémiás helyzet miatt a laboratóriumi munka korlátozott. Kaiserslauternben azonban teljes hozzáférésem van a szükséges eszközökhöz és mérési technikákhoz.”

A topológiai szigetelőket Jörg egy példán keresztül írja le: „Az elektronikus vagy optikai alkatrészekben az áram vagy fény vezetése során pontosan az történik, amit akkor tapasztalunk, amikor ködben bekapcsoljuk a távolsági fényt: A fény szóródik, vagyis a fényrészecskék visszaverődnek a ködcseppekről, és visszaverődnek. Az alkatrésznél ez azt jelenti, hogy a vezetendő jel nem veszteségmentesen halad át, és az út során gyengül.”

A topológiai szigetelőknél azonban más a helyzet. Itt a jelek veszteség nélkül haladhatnak át a felületen, körülkerülve a belső zavaróhelyeket. „Azokat a különleges állapotokat, amelyek lehetővé teszik az átirányítást, mindig bizonyos pontokon a sávstruktúrában – az útvonal-térképen, amely leírja, hogyan haladhatnak a jelek – függesztjük fel” – magyarázza Jörg. „Ezek olyan helyek, ahol két sáv találkozik. Ezeket Weyl-pontoknak nevezik. A topológiai Weyl-pontok rendkívül robusztusak és ellenállnak a külső behatásoknak. Az optikai anyagokban eddig nehezen voltak kísérletileg elérhetők, mert ahhoz, hogy ezeket szabadon megfigyelhessük, a lehető legnagyobb anyagkontrasztra van szükség.”

A csapat ezért egy speciális 3D-s nyomtatót használt, hogy kutatáshoz alkalmas fotonikus kristályokat készítsen összesen egy négyzetmilliméteres méretben. Ebben elsőként tudták kimutatni a négyzetes optikai Weyl-pontokat infravörös fényhullámok segítségével. Egy fontos mérföldkő: „Bár még nem értük el a látható tartományt, ezekkel az eredményekkel jóval közelebb kerültünk egy jövőbeli alkalmazáshoz” – összegzi Jörg.

A rangos szakfolyóirat, a Physical Review Letters szintén meggyőződött Kaiserslautern-i és amerikai fizikusok kutatásának potenciáljáról, és prominens helyet adott a tanulmánynak a jelenlegi lapszámban.

Az eredeti publikáció adatai:
Infrahangban megfigyelhető egy Charge-2 fotonikus Weyl-pont
Sachin Vaidya, Jiho Noh, Alexander Cerjan, Christina Jörg, Georg von Freymann, és Mikael C. Rechtsman
Phys. Rev. Lett. 125, 253902
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.253902

Kérdésekre választ ad:
Dr. Jörg Christina
Telefon: 0631 205-5230
E-mail: cjoerg[at]rhrk.uni-kl.de