Neuartige Stoffklasse

In topologischen Isolatoren ist Widerstand zwecklos

07.08.13 | Redakteur: Peter Koller

Topologische Isolatoren leiten Strom wie auf Schienen und damit schneller und mit weniger Wärmeentwicklung als herkömmliche Materialien. Die Abbildung zeigt einen zweidimensionalen topologischen Isolator an der Grenzfläche zwischen Materialschichten.
Topologische Isolatoren leiten Strom wie auf Schienen und damit schneller und mit weniger Wärmeentwicklung als herkömmliche Materialien. Die Abbildung zeigt einen zweidimensionalen topologischen Isolator an der Grenzfläche zwischen Materialschichten. (Forschungszentrum Jülich)

An der Oberfläche Strom fast verlustfrei leiten und ihn zugleich innen wie ein Isolator blockieren: Das können so genannte topologische Isolatoren – ein Material, das 2005 entdeckt wurde und das nun intensiv erforscht wird.

An der Universität Hamburg befassen sich zwei Forscherteams des Instituts für Angewandte Physik mit dieser neuartigen Stoffklasse, und ihre Forschung wird seit Anfang August 2013 im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Topological Insulators: Materials - Fundamental Properties - Devices“ (SPP 1666) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit insgesamt 400.000 Euro gefördert.

Spätestens seit der Entdeckung des Graphens – einer nur ein Atom dicken Lage von Kohlenstoff (Graphit) – als bisher dünnstem Material der Welt, sind Oberflächeneigenschaften in den Fokus der Materialforscherinnen und -forscher gerückt. Die Arbeit an topologischen Isolatoren ist momentan weltweit der am schnellsten wachsende Forschungsbereich in der Festkörperphysik und Materialforschung. „Topologisch“ bezeichnet dabei das Auftreten einer besonderen physikalischen Eigenschaft ausschließlich an der Oberfläche, etwa metallische Leitfähigkeit.

Nur hauchdünne Schicht ist leitend

Anders als zum Beispiel bei Kupferdraht, durch dessen gesamten Querschnitt Strom fließt, leitet ein topologischer Isolator die Elektronen nur in einer hauchdünnen Schicht an der Oberfläche. Und im Gegensatz zu klassischen Leitern, durch die sich die Elektronen quasi im Zickzack bewegen müssen. läuft der Strom in topologischen Isolatoren quasi wie auf Schienen – und dadurch mit sehr geringen Verlusten.

Die Perspektiven sind aussichtsreich: Wenn topologische Isolatoren eines Tages in Computern und Handys eingesetzt werden können, könnten diese superschnell arbeiten, ohne dabei warm zu werden. Bisher wird die Entwicklung noch schnellerer Rechner und energiesparenderer Mobiltelefone unter anderem durch die Erwärmung der Chips deutlich begrenzt. Topologische Isolatoren könnten die Entwicklung neuer spintronischer Bauelemente ermöglichen und so die Basis einer neuen „grünen“ Informationstechnologie bilden.

Chalcogenid-Verbindungen stehen im Fokus

Das Besondere an dem Material ist außerdem die extreme Stabilität seiner Oberfläche. Topologische Isolatoreffekte wurden bisher an sogenannten Chalcogenid-Verbindungen nachgewiesen. Das sind chemische Verbindungen, in denen sich der elektrische Widerstand verändern lässt und die als Halbleitermaterialien z.B. in der Photovoltaik zum Einsatz kommen.

Von der Untersuchung der topologischen Isolatoren verspricht sich die Forschung Erkenntnisse, deren Anwendung die Informationsverarbeitung bei der Computertechnologie revolutionieren könnte. Das Projekt von Dr. Jens Wiebe aus dem Arbeitskreis von Prof. Roland Wiesendanger untersucht mit Hilfe der Spin-aufgelösten Rastertunnelmikroskopie, welchen Einfluss magnetische Atome auf die Transporteigenschaften von topologischen Isolatoren haben.

Mit dieser Mikroskopie-Methode können Strukturen im Bereich einzelner Atome sichtbar gemacht werden. Ziel ist es, die Physik der Oberflächenzustände in topologischen Isolatoren besser zu verstehen. Das Projekt findet in enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Philip Hoffmann an der Universität in Aarhus, Dänemark, statt.

Maßanfertigung von elektronischen Strukturen

Im zweiten Projekt versucht Prof. Kornelius Nielsch mit einem speziellen Beschichtungsverfahren, der sogenannten epitaktischen Atomlagen-Abscheidung, die elektronischen Strukturen von topologischen Isolatoren maßzuschneidern, so dass der Transport von Strom ausschließlich an der Oberfläche stattfindet. Die Vorstufen dafür werden von Prof. Stephan Schulz an der Universität Duisburg/Essen entwickelt. Ziel ist es, topologische Isolatoren mit speziell angepassten Eigenschaften in elektronische Bauelemente integrieren zu können.

Virtuelles Institut für topologische Isolatoren

Vor rund einem Jahr hat auch ein Virtuelles Institut für topologische Isolatoren seine Arbeit aufgenommen. Nebem dem koordinierenden Forschungszentrum Jülich gehören dem Institut die RWTH Aachen, Die Universität Würzburg und das Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology an.

Die Existenz topologischer Isolatoren war zunächst von theoretischen Physikern vorhergesagt worden. Die Materialien sind schwer herzustellen und noch wenig erforscht. Erst 2007 gelang Wissenschaftlern der Universität Würzburg die Synthese und der experimentelle Nachweis des elektrischen Transports an den Rändern zweidimensionaler Systeme in dünnen Schichten.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Kommentar abschicken

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 42250498 / Technologie & Forschung)

Elektronikpraxis Magazin

ELEKTRONIKPRAXIS 14/2016

ELEKTRONIKPRAXIS 14/2016

IoT-Kongress: Die Ideenbörse für das Internet der Dinge

Weitere Themen:

Lithium-Zellen werden kleiner
DC/DC-Wandler für Elektromotorräder

zum ePaper

zum Heftarchiv

ELEKTRONIKPRAXIS 13/2016

ELEKTRONIKPRAXIS 13/2016

Plädoyer für GaN auf Silizium in Mobilfunk-Stationen

Weitere Themen:

Near-Threshold Technologie
Lösungen für die Elektrotechnik

zum ePaper

zum Heftarchiv

ELEKTRONIKPRAXIS 12/2016

ELEKTRONIKPRAXIS 12/2016

FPGA-basierte Systeme zeitgemäß entwickeln

Weitere Themen:

Embedded-Software-Strategie
String-PV-Anlagen sicher abschalten

zum ePaper

zum Heftarchiv