Die Quantenphysik in die fassbare Realität umgesetzt

Das ¨¹bliche Vorgehen ist so: Man hat ein komplexes physikalisches System und versucht dann, dessen Verhalten mit einem m?glichst einfachen Modell zu erkl?ren. Dass auch das Umgekehrte geht, zeigt Sebastian Huber, Assistenzprofessor am Institut f¨¹r Theoretische Physik: Er entwickelt makroskopische Systeme, die genau diejenigen Eigenschaften aufweisen, welche von der Theorie vorausgesagt werden, bisher aber noch nicht auf dieser Ebene beobachtet werden konnten.

Bereits vor zweieinhalb Jahren gelang ihm dazu ein anschauliches Beispiel. Zusammen mit seinem Team baute er eine mechanische Vorrichtung bestehend aus 270 Pendeln, die ¨¹ber Federn so miteinander verbunden sind, dass sich die Installation wie ein sogenannter topologischer Isolator verh?lt. Das heisst: Pendel und Federn sind so dimensioniert, dass sich bei einer Schwingungsanregung von aussen nur die Pendel an den R?ndern der Installation bewegen, nicht aber diejenigen in der Mitte (ETH-News berichtete).

Schwingung nur an den Ecken

Auch bei der neuen Arbeit, die diese Woche in der Fachzeitschrift externe Seite Nature publiziert wird, geht es um ein makroskopisches System. Diesmal handelt es sich jedoch nicht um eine grosse mechanische Vorrichtung, sondern um einen handlichen Gegenstand. Huber hat mit seinem Team einen rund 10 mal 10 Zentimeter grossen Silizium-Wafer strukturiert, der aus 100 kleinen Pl?ttchen besteht, die ¨¹ber d¨¹nne Stege miteinander verbunden sind. Der Clou: Wenn man die Platte mit Ultraschall anregt, schwingen nur die Pl?ttchen an den Ecken, w?hrend die anderen Pl?ttchen ruhig bleiben, obwohl sie alle miteinander verbunden sind.

Die Inspiration f¨¹r das neue Material erhielt Huber durch eine Publikation, die vor rund einem Jahr von Gruppen aus Urbana-Champaign und Princeton ver?ffentlicht wurde. Dort stellten Forscher einen neuen theoretischen Ansatz f¨¹r einen sogenannten topologischen Isolator zweiter Ordnung vor. ?Bei einem herk?mmlichen topologischen Isolator breitet sich die Schwingung nur an der Oberfl?che aus, nicht aber im Innern?, erkl?rt Huber. ?Das Ph?nomen wird also um eine Dimension reduziert.? Im Falle der Pendelinstallation heisst das: Die zweidimensionale Anordnung f¨¹hrt zu einem eindimensionalen Schwingungsmuster entlang der R?nder.

Bei einem topologischen Isolator zweiter Ordnung hingegen wird das Ph?nomen um zwei Dimensionen reduziert. Dementsprechend findet beim zweidimensionalen Silizium-Wafer die Schwingung nicht mehr entlang der R?nder statt, sondern nur noch in den Ecken, also in einem null-dimensionalen Punkt. ?Wir sind die ersten, denen es gelungen ist, den vorausgesagten topologischen Isolator h?herer Ordnung experimentell herzustellen?, erl?utert Huber.

Ein neues theoretisches Konzept

Auch in diesem Fall hat Huber also etwas erschaffen, das sich genau so verh?lt, wie es die Theorie voraussagt. Um dieses ?inverse Problem? zu l?sen, setzte Huber auf ein systematisches Vorgehen, das er zusammen mit der Gruppe von Chiara Daraio, heute Professorin am Caltec, entwickelte und ebenfalls diese Woche in der Fachzeitschrift externe Seite Nature Materials publiziert. Grob gesagt zeigt Huber in dieser Arbeit auf, wie sich eine theoretisch vorausgesagte Funktionalit?t in eine konkrete Geometrie umzusetzen l?sst. ?In unserem Beispiel haben wir das f¨¹r mechanische Schwingungen durchexerziert, indem wir Elemente mit klar definierten Schwingungsmodi ¨¹ber schwache Verbindungen miteinander koppelten?, sagt Huber. ?Doch das Verfahren l?sst sich auch auf andere Anwendungen ¨¹bertragen, beispielsweise auf optische oder elektrische Systeme.?

Ausweitung auf die dritte Dimension

Huber hat bereits klare Pl?ne, wie es nun weitergehen soll: Er will einen dreidimensionalen topologischen Isolator zweiter Ordnung realisieren, bei dem die Schwingungen dann eben eindimensional ¨¹bertragen werden. F¨¹r dieses Projekt erhielt er k¨¹rzlich vom Europ?ischen Forschungsrat ERC einen Consolidator Grant zugesprochen. Huber erkl?rt die Grundidee: ?Wir stapeln mehrere dieser zweidimensionalen Strukturen aufeinander, so dass am Ende ein dreidimensionales Gebilde entsteht. In diesem k?nnen Informationen oder Energie in einem eindimensionalen Kanal von Punkt A nach Punkt B geleitet werden.?

M?gliche Anwendungen sieht Huber einige. Man k?nnte mit solchen neuen topologischen Isolatoren beispielsweise robuste und pr?zise Wellenleiter f¨¹r Kommunikationsnetzwerke bauen. Auch f¨¹r den Energiebereich k?nnten solche Materialien interessant sein, beispielsweise beim ?Energy Harvesting?, wo Energie aus einer diffusen Umgebungsquelle so fokussiert wird, dass sie technisch genutzt werden kann.

Auch f¨¹r Theoretiker von Interesse

F¨¹r Hubers Resultate werden sich aber nicht nur Ingenieure und Materialforscher interessieren, sondern auch theoretische Physiker. ?Das Entscheidende aus theoretischer Sicht ist, dass gewisse topologische Isolatoren zweiter Ordnung mathematisch nicht wie herk?mmliche topologische Isolatoren als Dipol beschrieben werden, sondern als Quadrupole, die wesentlich komplexer sind?, erl?utert Huber. ?Dass wir dies nun zum ersten Mal in einer makroskopischen Struktur experimentell umsetzen konnten, ist deshalb auch f¨¹r die Theoretiker ein Durchbruch.?