Topologische Halbleiter Elektronenautobahn im Kristall

Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Physiker der Universität Würzburg konnten an topologisch kristallinen Isolatoren neuartige elektronische Zustände von Materie nachweisen. Dies macht die Materialien z.B. für besonders schnelle und energie­sparende Computer interessant.

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Ein Zufall hat sie auf die Spur der Leiterbahnen gebracht (v.l.): die Physiker Matthias Bode, Paolo Sessi und Domenico Di Sante in ihrem Labor.
Ein Zufall hat sie auf die Spur der Leiterbahnen gebracht (v.l.): die Physiker Matthias Bode, Paolo Sessi und Domenico Di Sante in ihrem Labor.
(Bild: Matthias Bode)

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen noch einmal hervorgehoben, als die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm den diesjährigen Physiknobelpreis an drei britische Wissenschaftler verliehen hat für die Erforschung sogenannter topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen von Materie.

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An topologischen Isolatoren wird auch an den Lehrstühlen für Experimentelle Physik II und Theoretische Physik I der Universität Würzburg geforscht, allerdings an einer speziellen Variante: topologisch kristallinen Isolatoren (TCI).

In Kooperation mit Wissenschaftlern der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau sowie der Universität Zürich ist den Würzburger Physikern jetzt ein wichtiger Durchbruch gelungen. Sie konnten an diesen Isolatoren neuartige elektronische Zustände von Materie nachweisen. In der aktuellen Ausgabe von Science stellen sie ihre Arbeit vor.

Stufenkanten geben Elektronen den Weg vor

Das zentrale Ergebnis: Werden kristalline Materialien gespalten, entstehen an den abgespalteten Oberflächen kleine atomar flache Bereiche, die durch Stufenkanten voneinander getrennt sind. Darin bilden sich Leiterbahnen für elektrische Ströme, die mit etwa zehn Nanometern extrem schmal sind und die sich durch eine überraschende Robustheit gegen äußere Störungen auszeichnen.

In diesen Leiterbahnen bewegen sich Elektronen mit unterschiedlichem Spin in entgegengesetzte Richtungen – ähnlich einer Autobahn mit separaten Fahrspuren für beide Fahrrichtungen. Dies macht die Materialien für technologische Anwendungen in zukünftigen Elektronik-Bauteilen, wie etwa in besonders schnellen und energiesparenden Computern, interessant.

„TCIs sind verhältnismäßig einfach herzustellen und heben sich bereits aufgrund ihrer besonderen Kristallstruktur von konventionellen Materialien ab“, erklärt Dr. Paolo Sessi den Hintergrund der jetzt veröffentlichten Arbeit. Sessi ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Experimentelle Physik II und Erstautor der Studie.

Was sie außerdem so besonders macht, sind ihre elektronischen Eigenschaften: In topologischen Materialien bedingt die Richtung des Spins die Bewegungsrichtung der Elektronen. „Spin“ kann vereinfacht als magnetischer Dipol interpretiert werden, der in zwei Richtungen („up“ und „down“) zeigen kann. Up-Spin-Elektronen bewegen sich demnach in TCIs in die eine, down-Spin Elektronen in die andere Richtung.

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