„Topologische Nanoarchitektur“ in Halbleiter-Materialien

Forscher des National Institute of Materials Science (NIMS) in Japan haben berechnet, dass eine bestimmte Anordnung von Halbleiter-Nanostäbchen die Fortbewegung einer elektromagnetischen Welle ohne Streuung ermöglicht.

Bild: National Institute for Materials Science
Durch Verkleinerung der Abstände zwischen hexagonalen Clustern von Nanostäbchen (c) können topologische Zustände in photonischen Kristallen erzielt werden.

Als „photonische Kristalle“ werden in der Physik periodische Strukturen des Brechungsindex in kristallinen oder amorphen Materialen bezeichnet, die die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen beeinflussen. Analog zu den elektronischen Bandstrukturen in Festkörpern bilden sich in photonischen Kristallen „photonische Bandstrukturen“ aus, sodass sie unter bestimmten Umständen als „optische Halbleiter“ fungieren können. Für gewöhnlich führen Defekte in photonischen Kristallen aber zu einer Streuung der Photonen, die deren ungehinderte Bewegung stört. Sogenannte „toplogische Zustände“ in derartigen Materialen wirken einer solchen Streuung entgegen, waren bislang aber nur schwierig zu realisieren.

Xiao Hu and Long-Hua Wu, zwei theoretische Physiker des International Center for Materials Nanoarchitectonics am NIMS, konnten zeigen, dass durch eine bestimmte hexagonale Anordnung von Halbleiter-Nanostäbchen toplogische Eigenschaften erzielt werden können. Da dieser Effekt auch bei gewöhnlichen Halbleitermaterialien wie Silicium oder Galliumnitrid auftritt, eröffnet sich die Möglichkeit, in derartigen Systemen elektronische und optische Funktionen miteinander zu verbinden.