21.07.2021

Topologischer Mindestabstand

Eigenschaften topologischer Drähte verlieren sich bei sehr geringen Abständen.

25 Nanometer: Das ist der Mindestabstand, den topologische Drähte in dem Quanten­material Blei-Zinn-Selenid (PbSnSe) einhalten müssen, damit sie Strom verlustfrei leiten können. Dies ist das Ergebnis einer neuen Studie von Physikern des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, dem Einsatz topologischer Isolatoren in elektronischen Bauteilen ein Stück näher zu kommen. Seit es einem Mitglied des Clusters 2007 erstmals gelang, diese neue Materialklasse nachzuweisen, boomt die weltweite Forschung an topologischen Quantenmaterialien. Denn sie versprechen eine „grüne Elektronik“, die Zukunfts­technologien nachhaltiger werden lässt.

 

Abb.: Elektronenfluss auf der Oberfläche des Quanten­materials...
Abb.: Elektronenfluss auf der Oberfläche des Quanten­materials Blei-Zinn-Selenid. Durch die keilförmige Anordnung der topologischen Drähte ließ sich exakt bestimmen, ab welchem Mindest­abstand Strom verlustfrei fließt – im Bild rot markiert. (Bild: M. Bode)

In elektronischen Geräten verbinden viele Drähte die einzelnen Komponenten und leiten Strom von einem Ort zum anderen. In Drähten aus topologischen Quanten­materialien kann dieser Strom nahezu verlustfrei fließen. Das verhindert ungewollte Erwärmungs­effekte und bietet einen entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Leitungen zum Beispiel aus Kupfer.

Somit verspricht die noch junge Materialklasse der topologischen Isolatoren weniger Abwärme, einen geringeren Energieverbrauch und im Ergebnis eine umwelt­freundlichere Informations­technologie. Seit ihrem ersten Nachweis an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) im Jahr 2007 werden diese Zukunftsmaterialien hier intensiv erforscht, seit 2019 im Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat.

Allerdings war der Abstand, in welchem topologische Drähte in elektronischen Bauteilen verlaufen können, bisher nicht bekannt. Das Forscherteam vom Lehrstuhl für Experimentelle Physik II der JMU hat nun systematisch untersucht, wie benachbarte Drähte aus dem Material Blei-Zinn-Selenid (PbSnSe) – einem topologischen Isolator – zusammenwirken.

„Dadurch können wir den Mindestabstand der Elektronen­bahnen auf der Material­oberfläche topologischer Isolatoren zum ersten Mal exakt definieren und verstehen topologisches Quanten­material wieder ein Stück besser“, kommentiert Matthias Bode, Gründungs­mitglied des Exzellenzclusters ct.qmat und Projektleiter.

Die aktuellen Forschungs­ergebnisse zeigen, dass topologische Drähte aus dem untersuchten Quanten­material PbSnSe nur mit einem Mindestabstand von 25 Nanometern Strom verlustfrei leiten. Bei kürzeren Abständen wird der besondere topologische Zustand, der dies ermöglicht, mehr und mehr verzerrt. Bei Drahtabständen unter zehn Nanometern verliert sich der topologische Charakter der Drähte vollständig.

Derzeit untersuchen die Forscher den Einfluss von magnetischen Atomen auf die Transport­eigenschaften der topologischen Elektronendrähte. An der Publikation sind neben Cluster­mitgliedern der JMU auch Wissenschaftler der Polnischen Akademie der Wissenschaften beteiligt, von denen die Materialproben stammen. Die Experimente wurden von den Würzburger Physikern Johannes Jung und Artem Odobesko durchgeführt.

U. Würzburg / DE

 

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