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.
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
