Forschungsbericht 2017 - Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Wie Licht Materie verändert: über den Einfluss von Laserlicht und einzelnen Photonen

Autoren
Ruggenthaler, Michael; Hübener, Hannes; Sentef, Michael A.; Appel, Heiko; Rubio, Angel
Abteilungen
Theorie, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Zusammenfassung
Die Eigenschaften eines Materials, z.B. seine Leitfähigkeit, können durch Wechselwirkung mit Licht gezielt verändert werden. Dies kann mittels vieler Photonen in Form eines Laserstrahls geschehen, in manchen Fällen genügen aber bereits wenige Photonen. Forscher der Theorie-Abteilung am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg verwenden beide Extreme, um neuartige Zustände der Materie zu untersuchen: Mit Lasern können bisher unbeobachtete Materiezustände theoretisch erzeugt werden, und chemische Reaktionen lassen sich durch den Einfluss weniger Photonen verändern.

Energieniveaus und Bandstrukturen: Materie im Gleichgewicht

Zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Materie und Strahlung hat Max Planck vor über 100 Jahren die Quantenhypothese aufgestellt. Sie besagt, dass Licht mit Materie nur bestimmte, sogenannte diskrete Energien austauschen kann. Tatsächlich strahlen chemische Elemente nur Licht von speziellen Wellenlängen aus, die diesen bestimmten Energien entsprechen. Aus dem daraus entstehenden Spektrum von diskreten Energien können dann das Element und viele seiner Eigenschaften eindeutig bestimmt werden. In Festkörpern, die normalerweise eine periodische, sich aus einzelnen chemischen Elementen aufbauende Kristallstruktur bilden, werden diese diskreten Spektren zu sogenannten Bandstrukturen. Die diskreten Energieniveaus der einzelnen Moleküle überlagern sich und bilden durchgehende, kontinuierliche Bänder. Diese Energiebänder können, ähnlich wie die Energieniveaus bei einzelnen chemischen Elementen dazu genutzt werden, um die Eigenschaften des Festkörpers zu bestimmen.

Die Bandstrukturen wie auch die diskreten Energieniveaus zeigen sich, wenn der Festkörper beziehungsweise das Molekül im Gleichgewicht sind. Das bedeutet, dass die Materie ungestört von äußeren Einflüssen ist, wie zum Beispiel einem Laser oder auch einer Veränderung der Umgebung. Eine gezielte Änderung der Bandstruktur oder des diskreten Energiespektrums mittels solcher Störungen ist eines der Hauptarbeitsgebiete des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg.

Materie im Nicht-Gleichgewicht

Experimentell und auch theoretisch ist bereits die Bestimmung der Gleichgewichtseigenschaften herausfordernd. Für Systeme im Nicht-Gleichgewicht gilt dies umso mehr. Dennoch gab es in den letzten Jahren auf beiden Gebieten große Fortschritte. Sie erlauben es, Eigenschaften komplexer Systeme zu studieren, die sich aufgrund äußerer Einflüsse im Nicht-Gleichgewicht befinden. Forscher gewinnen dadurch ein tieferes Verständnis der physikalischen und chemischen Vorgänge in komplexen Systemen wie Festkörpern und Molekülen. Darüber hinaus versuchen sie, gezielt Eigenschaften der Materie durch äußere Einflüsse zu manipulieren. Die gezielte Veränderung von Eigenschaften, wie eine Änderung des elektrischen Widerstands oder auf welchen Wellenlängen des Lichts ein Material transparent ist, hat vielerlei potenzielle technologische Anwendungen. Wie man eine solche Kontrolle mittels Licht erzielen kann, wird im Folgenden diskutiert.

Manipulation der Bandstruktur durch Laserlicht

Die Reaktion von Festkörpern mit Kristallstruktur auf einfarbiges Laserlicht kann überraschende neue Eigenschaften des Materials hervorrufen. Besonders spannend sind dabei Materialien mit Zuständen, die aufgrund der Symmetrie des Materials entstehen, sogenannte topologische Zustände. Schon im Gleichgewicht verhalten sich in diesem Fall die Elektronen, aus denen sich die Atome von Festkörpern zusammensetzen, unerwarteterweise wie freie Teilchen. Sie bewegen sich wie Teilchen, die in Albert Einsteins Relativitätstheorie beschrieben werden. Diese sogenannten Dirac-Teilchen bilden die Grundsäule des Standardmodells der Teilchenphysik, das alle bisher bekannten Phänomene von Elementarteilchen beschreibt. Die gleiche Theorie sagt aber noch zwei weitere Arten von relativistischen Teilchen voraus: die Weyl- und Majorana-Teilchen. Allerdings ist bisher noch kein Teilchen dieser Art in der Natur gefunden worden. Wissenschaftler der Theorie-Abteilung am Max-Planck-Institut in Hamburg haben nun gezeigt, dass man durch die Wechselwirkung von Laserlicht mit Materialien, die im Gleichgewicht Dirac-Teilchen enthalten, im Nicht-Gleichgewicht diese Dirac-Teilchen in Weyl-Teilchen umwandeln kann (siehe Abbildung 1) [1].

Abb. 1: Ein Laserpuls führt in dem Festkörperkristall Na3Bi dazu, dass sich die elektronischen Leitungszustände aufspalten und rotierende Bewegungen im Impulsraum ausführen.

Der Unterschied zwischen Weyl- und Dirac-Teilchen liegt in ihren unterschiedlichen topologischen, also symmetrischen Eigenschaften. Weyl-Teilchen haben eine wohldefinierte Chiralität − eine Symmetrieeigenschaft, die oft in der Natur vorkommt, wenn Dinge paarweise auftreten. Genauso wie unsere linken und rechten Hände kommen Weyl-Teilchen immer in Paaren vor, bei denen ein Teilchen das Spiegelbild des anderen ist. Dirac-Teilchen haben diese topologische Eigenschaft nicht.

Der Mechanismus der Umwandlung von Dirac- in Weyl-Teilchen, der hier theoretisch vorhergesagt wurde, liegt in der Natur der Wechselwirkung von Licht mit Materie. Das Licht eines Lasers kann einerseits als Strom aus sehr vielen Photonen, den Quantenteilchen des Lichts, beschrieben werden, andererseits als eine regelmäßig schwingende elektromagnetische Welle. In einem Festkörper führt diese Welle dazu, dass nach einer Weile die Elektronen im gleichen Takt wie dieses Feld schwingen. Diese Schwingung von Elektronen und Photonen im Gleichtakt erzeugt dann neue, diskrete Energiezustände − man sagt, dass die Photonen die Elektronen bekleiden (englisch: dressed). In bestimmten Kristallen kann dann die Symmetrie des Gitters, in dem die Atome angeordnet sind, dazu führen, dass diese Überlagerungen von Photonen und Elektronen, welche die erwähnte Chiralität haben, ein System aus Weyl-Teilchen bilden.

Die neuen Energiezustände verändern nun die Bandstruktur eines Materials. Dadurch können sich zugleich auch die Eigenschaften des Materials im Nicht-Gleichgewicht fundamental verändern. So kann man durch diese Art von Licht-Materie-Wechselwirkung einen Isolator in einen elektrischen Leiter umwandeln. Da der Effekt rein optisch kontrolliert wird und nur auf der Wechselwirkung der sehr schnellen Elektronen und Photonen beruht, kann er innerhalb von extrem kurzer Zeit (Femtosekunden) ein- und ausgeschaltet werden. Damit hat diese Art Manipulation der Materialeigenschaften auch eine potenziell hohe Relevanz für technologische Anwendungen. Am Hamburger Max-Planck-Institut sind daher zurzeit Experimente in Vorbereitung, die darauf abzielen, diesen Effekt auch experimentell nachzuweisen.

Manipulation durch starke Wechselwirkung mit Photonen

In der Quantenchemie werden die Eigenschaften von komplexen Systemen meist unter der Annahme untersucht, dass die Systeme isoliert von etwaigen äußeren Einflüssen sind. Dazu gehört nicht nur, wie im obigen Beispiel, dass kein Laser die Systeme anregt, sondern auch, dass sie sich in einem ansonsten leeren Raum befinden. Verändert man nun die Eigenschaften der Umgebung, etwa dadurch, dass man ein Molekül zwischen zwei stark reflektierende Spiegel platziert, dann können auch die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Moleküls modifiziert werden. Dies wird durch eine Änderung des elektromagnetischen Vakuums verursacht, das empfindlich auf diese Spiegel reagiert. In solchen Situationen wechselwirken die Photonen außergewöhnlich stark mit der Materie, und man kann nicht länger eindeutig zwischen Materie und Photonen unterscheiden. Diese neuen Zustände nennt man Photon-Materie-Hybridzustände. Sie können beispielsweise eine sehr viel höhere Leitfähigkeit besitzen als das freie Molekül.

Experimentell konnten solche Situationen starker Materie-Photon-Kopplung bereits erzeugt werden, aber die theoretische Vorhersage und Untersuchung der chemischen Eigenschaften solcher Zustände war bisher nur eingeschränkt möglich. Dies lag daran, dass die üblichen theoretischen Methoden der Quantenchemie den Einfluss der Photonen vernachlässigt haben. In der Theorie-Abteilung in Hamburg arbeiten Forscher daran, diese Methoden auf solche gekoppelten Probleme zu erweitern.

Abb. 2: Wenn die Wechselwirkung zwischen Materie und Photonen sehr stark wird, dann wird die Ladungsdichte eines Quantenrings (in blau) schon durch wenige virtuelle Photonen (in rot) polarisiert.

Erste Simulationen [1,2] haben gezeigt, wie die starke Kopplung mit den Photonen die Materie beeinflusst. So wird im Falle eines sogenannten Quantenrings die Materie polarisiert und einige Photonen dadurch praktisch gefangen (siehe Abbildung 2). Diese gefangenen virtuellen Photonen erzeugen kein elektromagnetisches Feld, das man direkt messen kann, sondern äußern sich durch eine Art von Rauschen des elektromagnetischen Felds, den sogenannten Vakuumfluktuationen. Ähnliches findet man für einfache Modelle von Molekülen, in welchen die virtuellen Photonen zu einer Änderung des charakteristischen, diskreten Spektrums führen. Dies geht mit einer Änderung der Molekülgröße einher – der Abstand zwischen den Kernen wird kleiner. Darüber hinaus werden durch die Änderung des Spektrums die sogenannten Born-Oppenheimer Flächen modifiziert. Diese Flächen werden in der Quantenchemie dazu verwendet, um chemische Reaktionen zu erklären und vorherzusagen.

Neben der Etablierung dieser neuartigen Simulationsmethodiken haben die Forscher am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie begonnen, gezielt nach neuen Effekten zu suchen, die durch die starke Kopplung mit Photonen hervorgerufen werden. Von speziellem Interesse ist dabei die Kontrolle von chemischen Reaktionen mittels Photonen. Ein eingehendes theoretisches Verständnis, wie die Photonen die Born-Oppenheimer-Flächen modifizieren, wird dabei von fundamentaler Bedeutung sein.

Literaturhinweise

1.
Hübener, H.; Sentef, M. A.; De Giovannini, U.; Kemper, A. F.; Rubio, A.
Creating stable Floquet-Weyl semimetals by laser-driving of 3D Dirac materials
Nature Communications 8, 13940 (2016)
DOI
2.
Flick, J.; Ruggenthaler, M.; Appel, H.; Rubio A.
Kohn-Sham approach to quantum electrodynamical density-functional theory: Exact time-dependent effective potentials in real space
Proceedings of the National Academy of Sciences 112, 15285-15290 (2015)
DOI
3.
Flick, J.; Ruggenthaler, M.; Appel, H.; Rubio, A.
Atoms and molecules in cavities: from weak to strong coupling in QED chemistry
Proceedings of the National Academy of Sciences 114, 3026-3034 (2017)


DOI
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