Tunnelströme in Quanten-Hall-Systemen

Während Isolatoren keinen elektrischen Strom leiten, gibt es einige Materialien, die über besondere elektrische Eigen­schaften verfügen: sie können zwar nicht in ihrem Innern, aber aufgrund von Quanten­effekten an ihrer Oberfläche und an ihren Rändern elektrische Ströme übermitteln, und dies sogar verlustfrei. Diese topo­logischen Isolatoren stehen seit einigen Jahren im Fokus der Festkörper­forschung, da ihre besonderen Eigen­schaften techno­logische Innovationen versprechen – beispielsweise für elek­tronische Bau­elemente.

Ähnliche Effekte wie die Randströme in den topo­logischen Isolatoren zeigen sich auch, wenn ein zweidimen­sionales Metall bei tiefen Tempera­turen einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird. Tritt der Quanten-Hall-Effekt ein, fließt Strom nur noch an den Grenzflächen. Dabei bilden sich mehrere strom­leitende Bereiche. Bisher war es nicht möglich, diese leitenden Bereiche individuell zu untersuchen beziehungs­weise die Position eines einzelnen Rand­zustands zu messen. Ein neues Verfahren von Physikern der Universität Basel und Kollegen der Univer­sity of California Los Angeles sowie der Universitäten Harvard und Princeton erlaubt nun erstmals, einen exakten Finger­abdruck der leitenden Bereiche mit einer Auflösung im Nanometer­bereich zu erstellen.

Zur Messungen der leitenden Bereiche haben sich die Physiker um Dominik Zumbühl die Tunnel­spektroskopie zunutze gemacht. Sie verwenden einen Nanodraht aus Gallium­arsenid, der sich auf dem Rand der Probe befindet und parallel zu den Rand­kanälen verläuft. Elektronen können nun zwischen dem Nanodraht und spezifischen Randzu­ständen tunneln, falls die Impulse in beiden Systemen überein­stimmen. Mithilfe eines zweiten Magnetfeldes kontrol­lieren die Wissenschaftler den Impuls der tunnelnden Elektronen, wodurch sie einzelne Rand­zustände individuell ansteuern können. Aus den gemessenen Tunnel­strömen lassen sich die Position und der Verlauf jedes Rand­zustands mit einer Präzision im Nanometer­bereich berechnen.

Wird bei Quanten-Hall-Systemen die Stärke des angelegten Magnet­feldes erhöht, ändert sich die Verteilung der Randzustände und ihre Anzahl sinkt. Mit der neuen Methode konnten die Wissen­schaftler erstmals den gesamten Verlauf der Randzustände inklusive ihrer Entstehung bei kleinen Magnet­feldern beobachten. Mit zunehmender Magnet­feldstärke werden die Randzustände zunächst gegen den Material­rand gedrückt und wandern schließlich in die Mitte der Probe, wo sie vollständig verschwinden. Analytische und numerische Modelle, die das Forscher­team erstellt hat, stimmten sehr gut mit den experi­mentellen Daten überein.

„Wir können diese neue Technik nicht nur zur Unter­suchung des Quanten-Hall-Effektes einsetzen“, kommentiert Zumbühl die Ergebnisse der inter­nationalen Zusammen­arbeit. „Auch bei der Untersuchung exotischer neuer Materialien wie beispiels­weise topo­logischen Isolatoren, Graphen oder anderer 2D-Materialien erhoffen wir bahn­brechende Erkenntnisse durch Anwendung der neuen Methode.“

U Basel / JOL