Wassermoleküle auf einem topologischen Isolator
Einblicke in die Bewegung von Wassermolekülen könnten Geräte robuster gegenüber Umweltbedingungen machen.
Das Verhalten von Wasser auf atomarer Ebene zu verstehen, bleibt eine Herausforderung für Experimentalphysiker, da die leichten Wasser- und Sauerstoffatome mit herkömmlichen experimentellen Methoden schwer zu beobachten sind. Das trifft vor allem zu, wenn man die mikroskopischen Bewegungen von einzelnen Wassermolekülen beobachten möchte, die innerhalb von Pikosekunden auf einer Oberfläche ablaufen. Einem internationalen Forscherteam gelang es jetzt, das Verhalten von Wasser auf einem derzeit besonders interessanten Material erforschen: dem topologischen Isolator Bismuttellurid. Bismuttellurid könnte für den Bau von Quantencomputern eingesetzt werden. Wasserdampf wäre dann ein Umwelteinfluss, dem aus Bismuttellurid gebaute Anwendungen im realen Betrieb ausgesetzt sein könnten.
Die Forscher kombinierten theoretische Berechnungen mit einer neuen experimentellen Methode, der Helium-Spin-Echo-Spektroskopie. Dabei werden Heliumatome mit sehr niedriger Energie genutzt, die es erlauben, isolierte Wassermoleküle zu beobachten, ohne dabei deren Bewegung zu beeinflussen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sich Wassermoleküle auf Bismuttellurid gänzlich anders verhalten als auf Standardmetallen. Auf herkömmlichen Materialien zeigen Wassermoleküle anziehende Bewegungen und bilden Ansammlungen in Form von Wasserfilmen. Bei topologischen Isolatoren ist genau das Gegenteil der Fall: Die Wassermoleküle stoßen einander ab, und bleiben auf der Oberfläche isoliert.
Bismuttellurid scheint somit relativ unempfindlich gegenüber Wasser zu sein. Das ist ein großer Vorteil für Anwendungen, die unter herkömmlichen Umweltbedingungen funktionieren müssen. Weitere Experimente an ähnlich aufgebauten Oberflächen sind bereits in Planung und sollen klären ob die Bewegung der Wassermoleküle auf spezielle Eigenschaften der untersuchten Oberfläche zurückzuführen ist.
TU Graz / RK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung:
A. Tamtögl et al.: Nanoscopic diffusion of water on a topological insulator, Nat. Commun. 11, 278 (2020); DOI: 10.1038/s41467-019-14064-7 - Advanced Materials Science, Technische Universität Graz, Österreich