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

Weitere Infos

 

Anbieter des Monats

Quantum Design GmbH

Quantum Design GmbH

Forschung lebt von Präzision. Seit über 40 Jahren steht Quantum Design für innovative Messtechnik auf höchstem Niveau – entwickelt in Kalifornien, betreut weltweit. Unsere Systeme sind der Goldstandard in der Materialcharakterisierung und ermöglichen tiefe Einblicke in die magnetischen, thermischen und optischen Eigenschaften von neuen Materialien.

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Meist gelesen

Photo
24.07.2025 • NachrichtDPG

Wurfmaschine, Tauchboot oder Musikbox

Wissenschaftsfestival „Highlights der Physik“ lädt Schülerinnen und Schüler zum bundesweiten Wettbewerb „exciting physics“ in Jena ein – Anmeldung bis zum 15. August.

Themen