Physiker haben den ersten direkten experimentellen Nachweis eines Floquet-Topologiezustands erbracht — einer Materiephase, die durch Licht ins Dasein gerufen werden kann, obwohl sie im natürlichen Gleichgewichtszustand des Materials nicht existiert.
Die in Nature Physics veröffentlichten Ergebnisse konzentrieren sich auf Zinntellurid (SnTe), einen Halbleiter mit ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften. Mit Femtosekunden-Laserpulsen — Blitzen von einer Billiardstel Sekunde Dauer, abgestimmt auf Energien in der Größenordnung der Bandlücke des Materials — erzeugte das Team kurzzeitig einen Topologiezustand, in dem ein "Dirac-Kegel", die charakteristische elektronische Struktur topologischer Materialien, transient auftauchte.
Die Floquet-Theorie, benannt nach dem Mathematiker Gaston Floquet aus dem 19. Jahrhundert, sagt voraus, dass periodisches Antreiben durch Licht die elektronische Bandstruktur eines Materials umformen und topologische Phasen "auf Abruf" erzeugen kann. Doch trotz jahrelanger Vorhersagen erwiesen sich solche lichtinduzierten Zustände als schwer direkt zu beobachten.
Das neue Experiment hält diesen flüchtigen Zustand in Aktion fest: Unter Beleuchtung durchläuft SnTe eine lichtgetriebene Bandinversion und kippt seine elektronische Natur in ein topologisches Regime, das im Gleichgewichts-Grundzustand nicht existiert — und zwar in einem ultrakurzen Zeitfenster, das die Forscher abbilden konnten.
Das Ergebnis ist ein Meilenstein für das "Floquet-Engineering" — die Idee, Materialien per Licht zwischen exotischen Zuständen umzuschalten und damit künftig etwa ultraschnelle topologische Transistoren oder optisch gesteuerte Quantenbauteile zu ermöglichen. Es zeigt zudem, dass transiente Zustände direkt statt nur indirekt beobachtet werden können, und gibt Experimentalphysikern ein neues Werkzeug, um Licht-Materie-Wechselwirkungen auf kürzesten Zeitskalen zu untersuchen.
