Topologischer Isolator mutiert zum Halbleiter

Dotierungen mit magnetischen Störstellen wandeln Bismuttellurid-Kristalle zu einer neuen Halbleiter-Klasse.

Seit fünf Jahren begeistert die Materialklasse der "Topologischen Isolatoren" Physiker in aller Welt. Zu ihnen zählen Kristalle wie Bismuttellurid, die an ihrer Oberfläche Strom leiten können und zugleich in ihrem Innern als Isolator wirken. In dem viel versprechenden Kandidaten für die Untersuchung von Quantenprozessen offenbarte sich einem amerikanischen Physiker-Team nun eine weitere einzigartige Eigenschaft: Mit winzigen Verunreinigungen aus Eisen oder Mangan konnten sie den Oberflächenleiter zu einem Halbleiter wandeln. Mit dieser Entdeckung erweitert sich der Anwendungsbereich der "Topologischen Isolatoren" hin zur Entwicklung neuer Datenspeicher oder winzigen Schaltkreisen.

"Wir bauten magnetische Dotierungen in den dreidimensionalen, topologischen Isolator Bismuttellurid ein und brachen damit die Zeitumkehr-Symmetrie", berichten Shoucheng Zhang und seine Kollegen von der Stanford University und vom SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park. Wegen dieses Symmetriebruchs konnten Elektronen an der Kristalloberfläche nicht mehr beliebig wandern, wie es für elektrische Leiter notwendig ist. Die Physiker erreichten diesen Wandel über die Dotierung mit Eisen- oder Manganatomen. In Folge der magnetischen Eigenschaften dieser Störstellen bildete sich in der Oberfläche des Kristalls eine Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband aus.

Die genaue Struktur dieser Bandlücke untersuchte das Team um Zhang, der an der Berliner Humboldt-Universität Physik studierte und jüngst mit dem Gutenberg Forschungspreis der Universität Mainz ausgezeichnet wurde, mit Hilfe der winkelaufgelösten Photoemissions-Spektroskopie. Dabei erkannten sie, dass der Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband in der Größenordnung von 40 bis 50 Millielektronenvolt von der Menge der Eisen- und Manganatome in der Kristalloberfläche abhing und so die Weite der Bandlücke kontrolliert werden konnte. Ebenso waren Wechsel zwischen einer p- und einer n-Dotierung möglich. Mit dieser Eigenschaft eröffnen sich für die "Topologischen Isolatoren" viele Möglichkeiten, um neue elektronische Schaltkreise oder Datenspeicher zu entwickeln.

In einem begleitenden Kommentar sieht Marcel Franz von der University of British Columbia in Vancouver in den dotierten Kristallen sogar viel versprechende Kandidaten, um Quantenphänomene genauer bestimmen zu können: "Wenn sich eine Bandlücke in Folge einer magnetischen Störung öffnet, ist die resultieren Oberfläche kein gewöhnlicher Isolator, sondern ein Quanten-Hall-Isolator." Diese Eigenschaft der dotierten Bismuttellurid-Oberflächen sei mit denen von bekannten Quanten-Hall-Systemen wie einem zweidimensionalen Elektronengas vergleichbar. Die Hall-Leitfähigkeit kann allein durch ganzzahlige, also quantisierte Vielfache des Verhältnisses zwischen dem Quadrat der Elementarladung e und dem Planck´schen Wirkungsquantum h bestimmt werden. "Eine neue Form einer exakten Quantisierung in einem Festkörper wäre ein großer Wurf", so Franz. Ob die Bestimmung von e und h über die Messung der Hall-Leitfähigkeit mit den dotierten, topologischen Kristallen tatsächlich gelingen wird, werden weitere Experimente noch zeigen müssen.

Jan Oliver Löfken

Weiterführende Literatur:

• J. E. Moore: Nature 464, 194 (2010)
• X.-L. Qi, S.-C. Zhang: Phys. Today 63, 33 (2010)
• T. Yokoyama, Y. Tanaka, N. Nagaosa: Phys. Rev. B 81, 121401(R) (2010)
• I. Garate, M. Franz: Phys. Rev. Lett. 104, 146802 (2010)

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