26.06.2019

Großes Potenzial für topologische Isolatoren

„Physikkonkret“ beleuchtet die Chancen dieser neuen Materialklasse.

Transistoren sind die Basis aller modernen Elektronik. Angesichts des steigenden Energiebedarfs der Informationstechnologie – Schätzungen gehen von einem Anteil von über zwanzig Prozent am Energieverbrauch in den nächsten zehn Jahren aus – ist die Entwicklung energiesparender Elektronik nicht nur aus Kostengründen, sondern auch zur Erreichung der globalen CO₂-Klimaziele wichtig. Topologische Isolatoren sind hierfür vielversprechende Kandidaten. Die aktuelle Ausgabe von „Physikkonkret“ der Deutschen Physikalischen Gesellschaft DPG beleuchtet die Potenziale dieser neuen Materialklasse.

Abb.: Mikroskopaufnahme eines topologischen Isolators aus einer... — Abb.: Mikroskopaufnahme eines topologischen Isolators aus einer Siliziumkarbid-Hybridstruktur. (Bild: L. Molenkamp et al., JMU)

Obgleich in ihrem Kern isolierend, verfügen topologische Isolatoren über leitfähige Oberflächen und Grenzschichten – topologische Randzustände, bei denen sich die Elektronen den quantenmechanischen Gesetzen folgend frei bewegen können – und das verlustfrei ohne Abwärme zu erzeugen nachdem sie einen Kontaktwiderstand überwunden haben. Streuprozesse, die einen Widerstand verursachen könnten, werden dort unterdrückt. Dies erlaubt die Konstruktion elektronischer Bauteile mit beispielloser Effizienz.

Zwei Namen sind mit der Entwicklung dieser neuen Materialklasse eng verbunden: Der Physiknobelpreisträger Klaus von Klitzing entdeckte 1980 den Quanten-Hall-Effekt, als er III-V-Halbleiter wie Galliumarsenid bei tiefen Temperaturen und starken Magnetfeldern untersuchte. Laurens Molenkamp von der Universität Würzburg, der Nachfolger von von Klitzings Doktorvater Gottfried Landwehr, entdeckte 2007 eine quantisierte Hall-Leitfähigkeit in einer II-VI-Halbleiterstruktur aus Quecksilbertellurid und Cadmiumtellurid. Diese benötigt kein äußeres Magnetfeld mehr, was eine breite Anwendung als elektronisches Bauteil erst möglich macht.

Solche II-VI-Heterostrukturen sind nun der Ausgangspunkt intensiver Forschung, die die künftige Festkörperphysik und damit den Bau leistungsstarker Elektronik entscheidend prägen könnte. Ob die topologischen Isolatoren halten, was sie versprechen, ist noch nicht abzusehen. Ihr großes Potenzial ist alle Mühen intensiver Forschung wert.

DPG / JOL