18.10.2019

Reibung in topologischen Isolatoren

Elektrische Spannungen beeinflussen die Dissipation von Energie in Wärme.

Dank ihren einzig­artigen elektrischen Eigen­schaften versprechen topo­logische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computer­industrie, aber auch bei der Entwicklung von Quanten­computern. Ihre ultradünne Oberfläche kann Strom fast wider­standslos leiten, wodurch weniger Wärme entsteht als bei herkömm­lichen Materialien. Das macht sie für elektronische Bauteile besonders interessant. Dazu kann bei topo­logischen Isolatoren die elektronische Reibung – also die durch Elektronen vermittelte Umwandlung von elek­trischer Energie in Wärme – reduziert und gesteuert werden. Das konnten nun Forscher der Universität Basel, des Swiss Nanoscience Institute (SNI) und der Technischen Univer­sität Istanbul im Experiment nachweisen und zeigen, wie sich die Dissipation von Energie in Wärme durch Reibung genau verhält.

Abb.: Die Goldspitze über einem topo­logischen Isolator erfährt...
Abb.: Die Goldspitze über einem topo­logischen Isolator erfährt Energie­verluste nur bei diskreten, quan­tisierten Energien. Die Ursache liegt in Bild­ladungs­zuständen, die sich über der Isolator­oberfläche bilden. (Bild: U. Basel)

Das Team um Ernst Meyer vom Departement Physik der Universität Basel hat untersucht, wie sich Reibung an der Oberfläche eines topo­logischen Isolators aus Bismut-Tellurid auswirkt. Die Wissen­schaftler verwendeten dazu ein Rasterkraft­mikroskop im Pendelmodus. Dabei schwingt die leitende Mikroskop­spitze aus Gold knapp über der zwei­dimensionalen Oberfläche des topo­logischen Isolators hin und her. Wird eine Spannung an die Mikroskop­spitze angelegt, induziert die Bewegung des Pendels einen kleinen elektrischen Strom auf der Oberfläche. Bei herkömm­lichen Materialien wird ein Teil dieser elektrischen Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt. Bei der leitenden Oberfläche des topo­logischen Isolators sieht das Ergebnis ganz anders aus: Der Energieverlust durch die Umwandlung in Wärme ist stark reduziert.

„Wir sehen an unseren Messungen ganz deutlich, dass es bei bestimmten Spannungen praktisch keine Wärme­bildung durch elek­tronische Reibung gibt“, erklärt Dilek Yildiz, die diese Arbeiten im Rahmen der SNI-Doktorandens­chule durchgeführt hat. Gleichzeitig konnten die Forscher erstmals einen neuartigen, quanten­mechanischen Dissipations­mechanismus beobachten, der nur bei bestimmten Spannungen erfolgt. Bei diesen Bedingungen wandern die Elektronen von der Spitze über einen Zwischen­zustand ins Material – ähnlich wie beim Tunneleffekt in Rastertunnel­mikroskopen. Über die Regulierung der Spannung konnten die Wissenschaftler die Dissipation beein­flussen. „Die Messungen untermauern das große Potenzial topo­logischer Isolatoren, da sich die elek­tronische Reibung gezielt steuern lässt“, ergänzt Ernst Meyer.

U. Basel / JOL

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