Neue Struktur für die Elektronen-Autobahn

Der Hauptvorteil topologischer Isolatoren liegt in der Möglichkeit des verlustfreien und spinpolarisierten Transports von Elektronen, was eine Grundlage für revolutionäre zukünftige elektronische Bauteile sein könnte. Obwohl dieser Effekt enormes Potenzial birgt, stand seine praktische Anwendung bisher vor erheblichen Herausforderungen, was vor allem daran liegt, dass topologische Isolatoren in der Regel nur bei äußerst tiefen Temperaturen ihre begehrten Eigenschaften zeigen – knapp über dem absoluten Nullpunkt.

Farbdiagramm für einen symmetrischen InAs/GaInSb-Dreischicht-Quantentopf als Funktion der Schichtdicken (l.). 3D-Darstellung der Bandstruktur der untersuchten Probe entlang der Kristallrichtungen [100] bzw. [010] (r. oben). Farbiges Rasterelektronenmikroskopbild eines Hall-Bar-Bauelements und seinen charkteristischen Größen (r. unten).

Quelle: M. Meyer et al. (2025) / AAAS

Ein Forschungs­team der Uni­ver­si­tät Würz­burg hat jetzt in Ko­ope­ra­tion mit Wis­sen­schaft­lern der Uni­ver­si­tät in Mont­pel­lier und der École Nor­male Supéri­eure in Paris einen to­po­lo­gi­schen Iso­la­tor ent­wickelt, der auch bei deut­lich höhe­ren Tem­pe­ra­tu­ren den ge­wünsch­ten Ef­fekt zeigt: bei etwa minus 213 Grad Celsius, wie die Ex­pe­ri­men­te zeig­ten. Ver­ant­wort­lich da­für war ein Team um Sven Höf­ling, In­ha­ber des Lehr­stuhls für Tech­ni­sche Phy­sik und sei­nen Mit­ar­bei­tern Fabian Hart­mann und Manuel Meyer.

„Wir haben für unsere Expe­ri­mente ein neues Material­system ent­wickelt und getes­tet: einen spezi­ellen Quanten­topf, der aus drei Schichten aufge­baut ist“, Sven Höf­ling. Indium­arsenid bildet dabei die beiden äußeren Schich­ten der Drei­fach­struktur. Eine Legie­rung aus Gallium, Indium und Antimon bildet die mittlere Schicht. Diese speziell ent­wickelte Drei­schichten-Struktur bietet nach Aus­sage der Physiker ent­schei­dende Vor­teile gegen­über früheren Ansätzen.

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Topologische Isolatoren 2.0

„Bei den bisher verwendeten Materialien ist oft das Problem, dass sie eine zu geringe Bandlückenenergie haben“, sagt Fabian Hartmann. Man kann sich die Bandlückenenergie als eine Art „energetische Barriere“ vorstellen, die Elektronen überwinden müssen, um das Innere des Materials leitfähig zu machen. Eine größere Bandlückenenergie bedeutet demnach eine robustere Barriere, die auch bei höheren Temperaturen verhindert, dass das Innere leitfähig wird und die verlustfreien Randkanäle stört.

Tatsächlich vergrößert die Verwendung einer GaInSb-Legierung die Bandlückenenergie des Materials. Gleichzeitig erzeugt das Hinzufügen einer dritten InAs-Schicht eine symmetrische Struktur, die Größe und Robustheit der Bandlückenenergie erheblich verbessert.

„Unser System ist ein vielversprechender Kandidat für technologische Anwendungen, da es drei wesentliche Vorteile vereint“, sagt Meyer. Zum einen lasse es sich in großen Mengen und auf großen Flächen herstellen. Zum zweiten seien die Ergebnisse zuverlässig und wiederholbar. Und zum dritten sei das Material mit der bestehenden Silizium-Chip-Technologie kompatibel.

Zusammenfassend ebnen diese Ergebnisse nach Ansicht der Physiker den Weg für die Entwicklung einer topologischen Elektronik. Diese könnte auch bei weniger extremen Temperaturen arbeiten und sich nahtlos in die etablierte Halbleitertechnologie integrieren lassen, was die Tür zu einer neuen Generation von energieeffizienten und leistungsstarken Geräten öffnet. [U Köln / dre]