Durch Manipulation eines Halbleiters mit ultraschnellen Lichtimpulsen ist es Physiker_innen der Universität Freiburg in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team erstmals gelungen, eine kurzlebige topologische Metallphase zu erzeugen – eine Konfiguration, in der sich Elektronen sehr stabil und effizient bewegen. Diese Glanzleistung lässt eine mehr als zehn Jahre alte theoretische Vorhersage Wirklichkeit werden.

Durch das Aussenden von Lichtimpulsen im Bereich von Femtosekunden (Millionstel einer milliardstel Sekunde) ist es Physiker_innen der Universität Freiburg gelungen, das Verhalten von Elektronen in einem Zinntellurid-Kristall (SnTe) – einem Halbleiter, der in der Wissenschaft für seine besonderen Eigenschaften bekannt ist – zu verändern.

Dank modernster Spektroskopietechnik, mit deren Hilfe sich die Bewegung von Elektronen auf ihrer eigenen Zeitskala beobachten lässt, konnte die Forschungsgruppe sehen, wie das Licht die Materialeigenschaften verändert. «Wir haben beobachtet, dass sich die elektronische Struktur von Zinntellurid unter dem Einfluss von Laserbestrahlung vorübergehend ‹umorganisierte› und hybride, sogenannte Floquet-Bloch-Zustände entstanden, in denen sich Licht und Materie vermischen», erklärt Claude Monney, Professor am Departement für Physik der Universität Freiburg.

Blitzartiges Auftreten eines neuartigen topologischen Zustands
Besonders spektakulär finden die Autor_innen der Studie allerdings das Auftreten eines Dirac-Kegels, der als Quantenmerkmal auf eine topologische Phase hindeutet. In diesem Zustand können sich Elektronen in einem Material, das sich ursprünglich nicht dafür eignet, praktisch ungebremst bewegen. «Unsere Entdeckung reiht sich ein in den Bereich der Grundlagenforschung und des Erwerbs neuer Erkenntnisse. Sie eröffnet die Möglichkeit, die Eigenschaften von Halbleitern augenblicklich mithilfe von Licht zu verändern und damit je nach Bedarf zu steuern», so Claude Monney.

Bemerkenswert ist auch, dass dieser besondere Zustand nur so lange anhält, wie der Lichtimpuls dauert, also ca. 100 Femtosekunden, bevor er sich verflüchtigt. «Mithilfe von Licht konnten wir kurzzeitig ein Material mit neuartigen Eigenschaften erzeugen», freut sich Frédéric Chassot, Forscher am Departement für Physik.

Ein Nachweis, auf den man mehr als zehn Jahre lang gewartet hatte
Bereits 2011 hatten Forschende gezeigt, dass es rein theoretisch möglich ist, mit Licht ein Material zu verändern und ihm topologische Eigenschaften zu verleihen. Bisher gelang jedoch niemandem der Nachweis im Labor. Diese Studie stellt somit die erste direkte Beobachtung des Phänomens dar.

Auf längere Sicht könnten diese Ergebnisse in ultraschnellen, lasergesteuerten elektronischen Komponenten münden – wie beispielsweise Transistoren der nächsten Generation – und zu weiteren Fortschritten in der Quanteninformatik führen.

- Chassot, F., Pulkkinen, A., Kremer, G. et al. Floquet topological state induced by light-driven band inversion in SnTe. Nat. Phys. (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03341-0
- Titelbild​: © Gérald et Maxime Rumo