Neuer Phasenübergang in topologischen Isolatoren
Elektrische Polarisation lässt sich durch äußeres Feld umschalten.
Topologische Isolatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an ihren Oberflächen Strom sehr gut leiten, während sie im Innern Isolatoren sind. Zu dieser neuen Materialklasse zählen auch Halbleiter aus Blei, Zinn und Selen, die zusätzlich mit winzigen Mengen Bismut versetzt sind. Ein Forscherteam des Helmholtz-
Abb.: Der Bismut-Anteil nimmt von 0 (links) auf 2,2 Prozent (rechts) zu. Dadurch entsteht eine Bandlücke in den Energieniveaus der Elektronen, wie die Messungen an BESSY II zeigen. (Bild: HZB)
Die Proben wechseln zu einer bestimmten topologischen Phase, die zusätzlich die Eigenschaft der Ferroelektrizität besitzt. Das bedeutet, dass ein äußeres elektrisches Feld das Kristallgitter verformt, während umgekehrt mechanischer Druck auf den Kristall elektrische Felder erzeugt. Dieser Effekt ist für Anwendungen interessant. Solche ferroelektrischen Phasenwechselmaterialien werden beispielsweise in DVDs und Flash-
„Die Dotierung mit Bismut, die wir in der PbSnSe-Schicht untersucht haben, wirkt offenbar als Störung. Bismut ist dafür bekannt, dass seine Elektronenzahl nicht gut zu einer Kristallstruktur wie der von PbSnSe passt, so dass dieser faszinierende Phasenübergang auftritt“, erklärt Jaime Sánchez-
Nach detaillierten Auswertungen der Messungen blieb nur eine Schlussfolgerung übrig: Die Dotierung mit Bismut führt offenbar zu einer ferroelektrischen Verzerrung des Kristallgitters, die auch die erlaubten Energieniveaus der Elektronen ändert. „Die Messergebnisse haben uns über mehrere Experimentierreihen Rätsel aufgegeben, bis sich die Ergebnisse schließlich an einem ganz neuen Satz von Proben perfekt reproduzieren ließen“, so Sánchez-
„Ferroelektrische Phasen könnten hier zu Anwendungen führen, an die bislang nicht zu denken war. Verlustfreie elektrische Leitung in topologischen Materialien könnte sich nach Belieben an- und ausschalten lassen, durch Spannungspulse oder auch mechanische Spannungen", erklärt Oliver Rader, der am HZB die Abteilung „Materialien für grüne Spintronik“ leitet.
HZB / RK