Verlustarmer Stromfluss in Meta-Zinnober

Eine Variante des roten Minerals Zinnober ist ein topologischer Isolator mit vielversprechenden Eigenschaften.

Ein Forscherteam aus Marseille und Dresden entdeckte, dass das Mineral Meta-Zinnober, eine Form des Quecksilber-Sulfids, ein topologischer Isolator ist. Während im Inneren der Kristalle kein Strom fließt, sind die Kristalloberflächen elektrisch leitend.

In solchen Materialien haben die Spins aller Elektronen, die sich in einer bestimmten Richtung bewegen auch dieselbe Ausrichtung. Elektronen, die sich in entgegen gesetzter Richtung bewegen, haben die entgegen gesetzte Spinorientierung. Deshalb ist im Meta-Zinnober eine Änderung der Bewegungsrichtung der Elektronen grundsätzlich mit einer Umorientierung ihres Spins verbunden. Das führt dazu, dass die normale Streuung und der damit verbundene Energieverlust unterdrückt werden. So können Elektronen entlang der Kristalloberfläche fließen, ohne gestreut zu werden, so dass der elektrische Widerstand und damit der Energieverlust sehr klein sind. Bisher wurden etwa zehn Materialien identifiziert, die diese interessante Eigenschaft aufweisen.

Das nun hinzu gekommene Quecksilber-Sulfid hat noch eine besondere Eigenschaft: An seiner Oberfläche bilden sich spontan parallele Kanäle, die den Strom leiten. Innerhalb dieser Kanäle fließt der Strom fast ungehindert, während ein Stromfluss von Kanal zu Kanal so gut wie ausgeschlossen ist. Auf diese Weise stellt die Oberfläche dieser Kristalle ein System paralleler elektrischer Drähte dar.

Jedoch sind diese Effekte nur bei sehr reinen Kristallen beobachtet werden kann. „Deshalb hat das kontrollierte Kristallwachstum dieser Substanz ohne Verunreinigungen oder Defekte die oberste Priorität“, so Bernd Büchner vom Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden.

IFW / KK