Keine universellen topologischen Signaturen bei der Erzeugung hoher Harmonischer

Topologie spielt in der modernen Physik der kondensierten Materie und darüber hinaus eine enorme Rolle. Sie beschreibt, wie feste Materialien zwei sehr unterschiedliche und teilweise widersprüchliche Eigenschaften vereinen können. In topologischen Isolatoren wirkt zum Beispiel die Masse als Isolator während ihre Oberflächen und Kanten dennoch Strom leiten können. Deshalb hat in den letzten Jahrzehnten das Konzept der Topologie das wissenschaftliche Verständnis von elektronischer Struktur und Materialeigenschaften völlig verändert. Außerdem hat es den Weg für technologische Anwendungen geebnet, bei denen topologische Materialien in der Elektronik eingesetzt werden.

Gleichzeitig ist die Topologie recht schwierig zu beobachten, da sie oft eine Kombination mehrerer experimenteller Techniken wie Photoemissions- und Transportmessungen erfordert. Eine als hochharmonische Spektroskopie bekannte Methode hat sich kürzlich als Schlüsseltechnik zur Beobachtung der Topologie eines Materials herausgestellt. Bei diesem Ansatz wird ein Material mit intensivem Laserlicht bestrahlt. Die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen im Material und dem Laser führen zur Emission eines breitbandigen optischen Spektrums, aus dem man Schlüsse über die topologische Phase des Festkörpers ziehen kann, wenn man die Messung mit theoretischen Berechnungen kombiniert.

Neueste Ergebnisse eines MPSD-Theorieteams, die jetzt in Physical Review X veröffentlicht wurden, zeigen aber, dass es keine universellen topologischen Signaturen von topologischen Isolatoren in dieser Spektroskopie gibt. Diese Studie ist die erste systematische Untersuchung dieser Materialien mit ab initio theoretischen Methoden. Das Team fokussierte sich dabei auf einen Quanten-Spin-Hall-Isolator in einer Monoschicht aus Bismut-Atomen und einen quantenanomalen Hall-Isolator in einer einzelnen Monoschicht aus Na₃Bi. Die Forscher stellen damit die zugrundeliegenden Annahmen der topologischen Spektroskopie hoher Harmonischer in Frage: Dass Informationen über die Topologie in den emittierten Spektren eingeprägt sind und anschließend extrahiert werden können.

„Wir haben uns gezielt bemüht, gängige Annäherungen und vereinfachte Modelle zu vermeiden“, erklärt Hauptautor Ofer Neufeld. „Bei dieser umfangreichen und gründlichen Analyse konnten wir keine universellen topologischen Signaturen identifizieren, was darauf hindeutet, dass es solche Signaturen wahrscheinlich nicht gibt. Selbst wenn einige Merkmale auf den ersten Blick stark mit einer topologischen Eigenschaft zu korrelieren schienen, waren sie nie topologisch, wenn wir ihrem Ursprung auf den Grund gingen.“

Stattdessen dominierten die nicht-topologischen Aspekte des Systems in den Spektren, was darauf hindeutet, dass die Topologie eine geringere Rolle spielen könnte als bisher angenommen. „Ein Festkörper kann beispielsweise unterschiedlich auf Laserlicht reagieren, das links- oder rechtselliptisch polarisiert ist“, erklärt Nicolas Tancogne-Dejean, Zweitautor der Studie. „Auf den ersten Blick könnte man meinen, dass diese typische Reaktion auf die Topologie zurückzuführen ist. Bei näherer Betrachtung stellt sich jedoch heraus, dass dieser Effekt auf der Kristallstruktur und nicht der topologischen Struktur basiert.“

Die Ergebnisse des Teams werfen wichtige Fragen zur möglichen Nutzung der Topologie für Anwendungen in der hochgradig nichtlinearen Optik auf. Dennoch schließen die MPSD-Theoretiker die Existenz topologischer Signaturen bei der Erzeugung hoher Harmonischer nicht gänzlich aus. Stattdessen argumentieren sie, dass andere, nicht-topologische Aspekte des Materials in der Regel die resultierenden Spektren dominieren, wie die Bandstruktur, die Gittersymmetrie und die chemische Natur der beteiligten Orbitale. „Wir hoffen, dass unsere Studie nicht nur als Warnung vor potenziell irreführenden topologischen Fingerabdrücken dienen wird, sondern vor allem, dass sie die Fachwelt dazu motiviert, komplexere und robustere Ideen für die Messung der Topologie durch nichtlineare Optik zu entwickeln", fasst Neufeld zusammen.