Oliver Rader: Ein neuer Quantenzustand der Materie

Oliver Rader erforscht Topologische Isolatoren und betreibt ein Weltklasse-Instrument

Oliver Rader erforscht Topologische Isolatoren. Diese Materialien haben verblüffende Eigenschaften. Sie leiten an ihrer Oberfläche verlustfrei Strom, in ihrem Inneren sind sie jedoch nichtleitend. Damit könnten sich Daten extrem energiearm und schnell verarbeiten lassen.

Oliver Rader

Oliver Rader (Foto: I.Kniest)

Als 15-Jähriger bekam Oliver Rader ein  Buch über Quarks geschenkt. Er war fasziniert von den physikalischen Ideen und der Jagd nach den elementaren Bausteinen der Materie mit den Großgeräten der Teilchenphysik. Sein Interesse für Physik hat er inzwischen zum Beruf gemacht. Oliver Rader arbeitet am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II und leitet die Abteilung »Grüne Spintronik«, die an verlustfreien Materialien für die Informationsverarbeitung forscht.

Seiner frühen Faszination für die Großgeräte der Forschung ist er damit treu geblieben; nur die Teilchenphysik hat er gegen ein anderes Fachgebiet getauscht: Er studierte an der Universität Köln und traf damit relativ blind eine Vorentscheidung gegen Teilchen- und für die Festkörperphysik. Gleich nach seinem Studium führte ihn sein Weg an den damaligen Beschleuniger BESSY I nach Berlin, wo er bis heute – mit einer zweijährigen Unterbrechung für einen Forschungsaufenthalt in Tokio - lebt.

Oliver Rader interessiert sich bei seiner Arbeit für Topologische Isolatoren. Diese Materialien haben erstaunliche Eigenschaften: Sie sind in ihrem Inneren nichtleitend, also Isolatoren, aber an ihrer Oberfläche fließt elektrischer Strom – und das unter bestimmten Bedingungen sogar verlustfrei. Diese Eigenschaft ist auch unter widrigen Umwelteinflüssen sehr stabil ausgeprägt. Das ist besonders überraschend, weil es normaler weise gerade umgekehrt ist: Bei Metallen sind es gerade die Oberflächen, die für Korrosion anfällig sind und dadurch nichtleitend werden.

Doch warum verhalten sich die Topologischen Isolatoren anders? »In der Tat könnte sich eine solche Eigenschaft kaum gegen die widrigen Einflüsse der Umwelt behaupten, würde sie nicht den sogenannten topologischen Schutz genießen«, sagt Oliver Rader. So sind die Elektronen an der Oberfläche aus mathematischen Gründen gezwungen, Strom zu transportieren. Erst die Brechung einer bestimmten Symmetrie kann diese Eigenschaft zerstören.

Photoemissionsspektrometer

Nachgefragter Messplatz an BESSY II: Das Spin auflösende Photoemissionsspektrometer, das Rader mit seinem Team betreibt. (Foto: I. Kniest)

Der erste Topologische Isolator war 2006 vorher gesagt worden; ein Jahr später wurde ein Material mit dieser Eigenschaft zum ersten Mal experimentell nachgewiesen – und zwar in einer dünnen Schicht Quecksilbertellurid. Mittlerweile wurden zirka 30 Materialien identifiziert, die Topologische Isolatoren sind. Die meisten kommen allerdings nicht natürlich vor, sondern werden im Labor zusammengesetzt.

Das besondere Verhalten der Topologischen Isolatoren ist unter anderem für die Entwicklung neuer elektronischer Bauteile interessant.  Das liegt daran, dass der Informationstransport in Topologischen Isolatoren im Prinzip verlustlos erfolgt, während der Stromverbrauch konventioneller Informationstechnologien rasant steigt. So wollen Forscher mithilfe der neuen Materialien unter anderem elektronische Schalter entwickeln, die nicht mit elektrischem Strom, sondern mit sogenannten Spinströmen arbeiten. Dadurch würde der Stromverbrauch bei der Informationsarbeitung extrem sinken.Auch wenn diese Materialien sehr vielversprechend sind, werfen sie noch viele Fragen auf: Wann weist ein Material die entscheidenden topologischen Eigenschaften auf? Unter welchen Umständen transportieren sie den Strom verlustfrei? Und wie kann ein elektronischer Schalter funktionieren? Für die Antworten müssen sich die Physiker auf die Atomebene begeben und die Elektronen und ihre Spins, also ihre Drehbewegung, unter die Lupe nehmen. Dafür nutzt Oliver Rader am Berliner Elektronenspeicherring BESSY II ein besonderes Gerät: das Spin auflösende Photoemissionsspektrometer. Dabei werden Elektronen mit intensivem Licht aus der Probe geholt und deren Energie gemessen. Mit Berechnungen können die Forscher dann Rückschlüsse auf die Prozesse ziehen, die sich an der Oberfläche der Materialien abspielen. Diese Methode steht nur an wenigen Synchrotronstrahlungsquellen weltweit zur Verfügung. »Diese Messungen sind unsere Spezialität«, sagt  Rader. »Mit Messungen bei 1 Kelvin sind wir sogar konkurrenzlos. Deshalb kommen Gastwissenschaftler aus der ganzen Welt zu uns.«

Aktuell forscht der Physiker daran, wie man den Elektronenspin in Topologischen Isolatoren mithilfe von Lichtpulsen umschalten kann und wie schnell das Umschalten möglich ist. Um diese extrem schnell ablaufenden Prozesse zu beobachten, braucht man sehr kurze Lichtpulse. Damit diese Lichtblitze bald an jedem BESSY-Messplatz zur Verfügung stehen, hofft Rader auf eine zügige Umsetzung des Ausbauprojekts BESSY-VSR. »Für unsere Forschung und für die Gastwissenschaftler wäre das ein sehr großer Gewinn«, so Rader.

Beruflich ist Oliver Rader viel unterwegs, er trifft Kollegen auf Tagungen und Kongressen in der ganzen Welt. Der internationale Austausch ist ihm aber auch an seinem Arbeitsplatz sehr wichtig: So koordiniert er das Deutsch-Russische Labor an BESSY II, in dem Forscher beider Länder zusammenarbeiten. Weil diese Kooperation ein Erfolg ist, wird derzeit unter Raders Leitung ein zweiter deutsch-russischer Messplatz aufgebaut. »In der angespannten politischen Lage heute bin ich froh über unsere freundschaftlichen Kontakte zu den Kollegen in Russland«, sagt Oliver Rader.