20.04.2020

Vielfältige topologische Nanodrähte

Nanodrähte aus topologischen Isolatoren zeigen variantenreiches Leitfähigkeitsverhalten.

Weltweit forschen Physiker an Festkörpern einer neuen Material­klasse, den topologischen Isolatoren. Während das Innere eines topologischen Isolators isolierend ist, befinden sich auf dessen Oberfläche leitende Elektronen mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Diese Elektronen verhalten sich in vielerlei Hinsicht wie ultrarelativistische Teilchen, also wie Teilchen, die sich nahezu mit Licht­geschwindigkeit bewegen. 

Abb.: Skizze eines konischen Nano­drahts im koaxialen Magnet­feld, sowie...
Abb.: Skizze eines konischen Nano­drahts im koaxialen Magnet­feld, sowie dessen elektrische Leit­fähigkeit (vertikale Achse) als Funktion der Energie der Elektronen (horizontale Achs; Bild: R. Kozlovsky)

Das daraus resultierende bemerkenswerte Verhalten der Elektronen berührt nicht nur fundamentale Aspekte der Physik, die etwa im Regensburger Sonderforschungsbereich „Emergent Relativistic Effects in Condensed Matter“ erforscht werden, sondern es birgt auch Potential für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise in der Elektronik und im Bereich des Quantencomputing.

Eine Gruppe von theoretischen Physikern der Universität Regensburg um Klaus Richter befasste sich nun mit den besonderen Leit­fähigkeits­eigenschaften von Nanodrähten mit konischer Geometrie, die aus topologischen Isolatoren bestehen. Unter dem Einfluss von Magnet­feldern zeigen derartige kegelförmige Nanodrähte ihr volles Potential: In Magnetfeldern senkrecht zur Drahtachse leiten sie den Strom entlang der Oberfläche verlustfrei, während sie sich in starken koaxialen Magnet­feldern wie künstliche Atome verhalten, in denen die Elektronen gebunden sind und nur bestimmte diskrete Energieniveaus einnehmen können. Letzteres führt zu einer durch Quanteneffekte bestimmten Leitfähigkeit, die – im Widerspruch zum Ohmschen Gesetz – bei bestimmten charakteristischen Energien maximal wird.

Konische Nanodrähte bilden den Grundbaustein für komplexere gekrümmte Drähte, an denen die Regensburger Wissenschaftler aktuell forschen. Durch ihre enorm vielfältigen Leit­fähigkeits­eigenschaften könnten Nanodrähte aus topologischen Isolatoren einen wichtigen Beitrag zur Forschung in der Grund­lagen­physik liefern und zu zukünftigen technologischen Anwendungen führen. 

U. Regensburg / DE
 

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