Neuer Phasenübergang in topologischen Isolatoren

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-Zentrums Berlin für Materi­alien und Energie unter­suchte ein­kristal­line Schichten mit dieser Zusammen­setzung und vari­ierte dabei die Dotie­rung mit dem Element Bismut. Bei einer Dotie­rung mit ein bis zwei Prozent Bismut konnten sie einen neu­artigen topo­lo­gischen Phasen­über­gang beob­achten.

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-Speichern ver­wendet. Dort ver­schiebt eine ange­legte elek­trische Spannung Atome im Kristall­gitter, was aus einem Iso­lator ein Metall macht.

„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-Barriga vom HZB.

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-Barriga.

„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