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

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