Weniger Material kann zu mehr Leitfähigkeit führen

Forschende am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg haben eine kontraintuitive Form des Elektronentransports entdeckt. In mikroskopisch kleinen Bauelementen aus dem Halbmetall Wismut führt das Entfernen von Material nicht – wie man allgemein annehmen würde – zu einer Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit, sondern kann diese sogar erhöhen. Wie die Studie zeigt, können elektrische Ströme bei Anlegen starker Magnetfelder an dreidimensionale Metalle bevorzugt entlang der Oberflächen des Materials fließen, was als chirale Oberflächenzustände bekannt ist. Diese Erkenntnis wirft ein neues Licht auf die bisher übersehene Rolle der Oberflächenleitung in Halbmetallen, die an die Quantengrenze getrieben werden.

In gewöhnlichen Metallen bewegen sich Elektronen durch das gesamte Material. Wird ein Teil des Leiters entfernt, verringert sich die Anzahl der verfügbaren Kanäle für Elektronen, und die elektrische Leitfähigkeit sinkt entsprechend. Starke Magnetfelder verändern jedoch die Bewegung der Elektronen dramatisch. Die Lorentzkraft zwingt sie in Zyklotronbahnen. An den Grenzen eines Systems können sich diese Bahnen nicht schließen. Stattdessen prallen die Elektronen entlang der Grenze in Sprungbahnen ab, was zu einem gerichteten Elektronenfluss entlang der Kante führt. Dieses Konzept ist aus dem Quanten-Hall-Effekt in 2D-Systemen bekannt. Doch was geschieht in 3D-Systemen? „Unter diesen Bedingungen wird die Grenze – nun eine Oberfläche – ebenfalls zu einer wichtigen Verkehrsader für Elektronen“, erklärt Junho Seo. „Der Vorteil des 3D-Raums besteht darin, dass wir über mehr geometrische Freiheitsgrade verfügen, mit denen wir spielen können.“

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Weyl sie exotisch sind

Um diese Idee experimentell zu untersuchen, formte das Team mit Hilfe der fokussierten Ionenstrahlbearbeitung (FIB) schmale Rillen auf der Oberfläche eines mikroskopisch kleinen Bauteils, das aus hochreinen Wismutkristallen geschnitten worden war. Intuitiv sollte das Einschneiden von Rillen in einen Leiter die Menge an Material verringern, das für den Stromtransport zur Verfügung steht. Die Transportmessungen zeigten jedoch den gegenteiligen Effekt: Die Leitfähigkeit stieg an, je mehr Rillen unter starken Magnetfeldern eingebracht wurden. Jede Rille fügt zusätzliche Seitenwände hinzu, und diese Oberflächen beherbergen chirale Oberflächenzustände, wodurch effektiv neue „Autobahnen“ entstehen, auf denen sich Elektronen fortbewegen können. Anstatt den elektrischen Transport zu unterdrücken, erweitern die Rillen das Netzwerk der Oberflächenwege, die Strom leiten. „Das Experiment zeigt, dass die Geometrie allein einen starken Einfluss darauf haben kann, wie sich Elektronen unter starken Magnetfeldern durch ein 3D-Metall bewegen“, sagt Philip Moll, Leiter der entsprechenden Abteilung am MPSD.

Die Ergebnisse offenbaren einen neuen Aspekt des Elektronentransports im Quantenlimit. Während der konventionelle Transport in Metallen hauptsächlich durch die elektronische Struktur des Materials bestimmt wird, kann in starken Magnetfeldern die Form des Bauelements selbst ebenso wichtig werden. Da der Effekt eher auf der Landau-Quan­ti­sie­rung als auf einer spezifischen topologischen Bandstruktur beruht, kann er in einer Vielzahl von 3D-Metallen im Quantenlimit auftreten. „Ein viel reichhaltigerer Gestaltungsraum für die Geometrien von 3D-Objekten bietet eine vielseitige Plattform, um Antwortfunktionen im Quantenlimit abzustimmen und zu gestalten“, sagt Seo. „Neben den Untersuchungen zu topologischen Phasen der Materie mit Bandlücke und Quantisierung verdient auch die Physik von Metallen ohne Bandlücke im Quantenlimit größere Aufmerksamkeit.“ [MPSD / dre]