Weyl-punten op het spoor: publicatie van Kaiserslauterse natuurkundigen als “editors’ suggestion” gepubliceerd

Met behulp van het Fourier-transformatie-infraroodspectrometer experimenteel aangetoonde Weyl-punt. Duidelijk te zien is hoe de twee banden elkaar raken. (Bron: C. Jörg / S. Vaidya / J. Noh)

Met veldemissies-raster-elektronenmicroscopie wordt de chirale, houtstapel-achtige structuur van de fotonische kristallen zichtbaar, die de onderzoekers hebben vervaardigd met behulp van twee-foton-polymerisatie en voor hun onderzoeken hebben gebruikt. (Bron: C. Jörg)

Een materiaal dat geleidt en geïsoleerd – bestaat dat? Ja, onderzoekers hebben voor het eerst in 2005 zogenaamde topologische isolatoren beschreven, die in het binnenste de stroomdoorvoer verhinderen, maar aan het oppervlak uiterst geleidbaar zijn. De toestanden die in driedimensionale vaste stoffen rondom de verstoringspunten leiden, hangen weer af van zogenaamde Weyl-punten. Een team van wetenschappers aan de Pennsylvania State University (PSU) en de TU Kaiserslautern (TUK) is het recent voor het eerst gelukt om deze punten zichtbaar te maken met infraroodlicht. Het vakblad Physical Review Letters heeft hun bijbehorende publicatie als ‘editors’ suggestion’ gepubliceerd.

Eigenlijk had de Kaiserslauterse natuurkundige Dr. Christina Jörg in maart graag haar postdoc-positie aan de Pennsylvania State University persoonlijk willen innemen. Maar COVID-19 belemmerde de Humboldt-beursaanvraagster. In plaats daarvan kreeg ze de mogelijkheid om haar postdoc in ‘thuiswerk’ te starten en haar experimenten aan de TUK uit te voeren in de werkgroep ‘Optische Technologieën en Fotonica’ van Prof. Dr. Georg von Freymann. Een geluk bij een ongeluk, zoals snel bleek. ‘Ik zet het onderzoek voort dat mijn collega’s in de VS zijn begonnen, namelijk het karakteriseren van oppervlaktetoestanden en daarmee samenhangende optische Weyl-punten in topologische fotonische kristallen,’ legt de natuurkundige uit. ‘Gezien de pandemiesituatie in de VS is het laboratoriumwerk aan de Pennsylvania State University beperkt. In Kaiserslautern heb ik echter volledige toegang tot de benodigde apparatuur en meettechniek.’

Wat topologische isolatoren kenmerken, beschrijft Jörg aan de hand van een voorbeeld: ‘In elektronische of optische componenten gebeurt bij het geleiden van stroom of licht precies datgene wat we kennen als we bij mist de grootlicht inschakelen: Het licht wordt verstrooid of de lichtdeeltjes botsen op de mistdruppels en worden teruggekaatst. Overgebracht op het apparaat betekent dit dat het te geleiden signaal niet verliesvrij door kan gaan en afzwakt op weg ernaartoe.’

Bij topologische isolatoren is dat anders. Hier kunnen de signalen verliesvrij over de oppervlakte om de binnenliggende verstoringen heen stromen. ‘De bijzondere toestanden die de omleiding mogelijk maken, hangen altijd af van heel specifieke punten in de bandstructuur – de straatkaart die beschrijft hoe de signalen kunnen stromen –’ legt Jörg verder uit. ‘Het gaat daarbij om plaatsen waar twee banden elkaar raken. Deze plaatsen heten Weyl-punten. Topologische Weyl-punten zijn uiterst robuust en ongevoelig voor externe invloeden. In optische materialen waren Weyl-punten tot nu toe moeilijk experimenteel toegankelijk, omdat daarvoor een zo hoog mogelijk materiaalkontrast nodig is om ze vrij te kunnen waarnemen.’

Het team gebruikte daarom een speciale 3D-printer om voor het onderzoek geschikte fotonische kristallen te maken met een totale grootte van één vierkante millimeter. Daarin konden ze voor het eerst kwadratische optische Weyl-punten aantonen op basis van infraroodgolven. Een belangrijke mijlpaal: ‘Ook al komen we nog niet in het zichtbare bereik, met deze bevindingen zijn we een stuk dichter bij een toekomstige toepassing,’ vat Jörg samen.

Het gerenommeerde vakblad Physical Review Letters is eveneens overtuigd van het potentieel van het onderzoek van de Kaiserslauterse en Amerikaanse natuurkundigen en gaf het artikel een prominente plaats in de huidige uitgave.

Informatie over de originele publicatie:
Observation of a Charge-2 Photonic Weyl Point in the Infrared
Sachin Vaidya, Jiho Noh, Alexander Cerjan, Christina Jörg, Georg von Freymann, en Mikael C. Rechtsman
Phys. Rev. Lett. 125, 253902
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.253902

Vragen beantwoord door:
Dr. Christina Jörg
Tel.: 0631 205-5230
E-mail: cjoerg[at]rhrk.uni-kl.de