Zinn als Turbo für Chips
Boost für die Datenverarbeitung durch topologische Isolatoren aus einfachem Baustoff verblüfft die Fachwelt.
Daten immer schneller verarbeiten und speichern, noch kleinere und leistungsfähigere Chips bauen: An diesen Zielen arbeiten weltweit viele Forschungsgruppen. Seit einigen Jahren steht dabei eine besondere Materialklasse im Mittelpunkt, die so genannten topologischen Isolatoren. In ihnen trennen sich die Elektronen von ganz alleine nach ihrer jeweiligen Spinausrichtung, völlig ohne den Einsatz elektrischer oder magnetischer Felder.
Abb.: In einer Schicht aus Zinn trennen sich Elektronen von ganz allein nach der Ausrichtung ihres Spins, der im Bild durch Pfeile symbolisiert ist. (Bild: JMU, M. R. Scholz / arjunkarthaphotography.com)
„Diese Eigenschaft ist von weitreichender Bedeutung“, erklärt Ralph Claessen vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg: „Wenn man topologische Isolatoren mit elektrischen Kontakten versieht, kann man daraus Schaltkreise bauen, die mit der Spinrichtung kodierte Informationen weiterleiten.“ Diese neue Art der Datenübermittlung beruht nicht mehr auf dem Transport elektrischer Ladungen. Sie ist darum deutlich schneller und zuverlässiger.
Den Würzburger Physikern ist es jetzt erstmals in einer internationalen Kooperation mit Arbeitsgruppen aus der Schweiz und den USA sowie vom Forschungszentrum Jülich gelungen, topologische Isolatoren aus Zinn herzustellen, also aus einem simplen und leicht verfügbaren Material. „Das vereinfacht die Herstellung erheblich, denn bislang gab es solche Isolatoren nur aus komplizierten chemischen Verbindungen oder umweltschädlichen Materialien“, sagt Claessens Mitarbeiter Jörg Schäfer. Am Würzburger Physikalischen Institut befasst sich auch Laurens Molenkamp mit topologischen Isolatoren: Er hat die ungewöhnlichen Eigenschaften dieser Materialklasse – motiviert durch theoretische Vorhersagen – vor wenigen Jahren erstmals experimentell bestätigt.
In den neuen Experimenten haben die Forscher dünne Zinn-Schichten besonders langsam auf einen Halbleiterträger aufgedampft. Dabei bildete sich ein geordnetes Kristallgitter aus Zinn-Atomen, das mit dem von Diamant identisch ist. „In den Untersuchungen hat sich dann herausgestellt, dass diese Schicht die gesuchten ungewöhnlichen Eigenschaften aufweist: Die Spins der Elektronen sind in zwei Richtungen mit genau umgekehrt stehenden Magnetnadeln sortiert, und die beiden Gruppen bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen“, so Schäfer. Der Nachweis erfolgte mittels spinaufgelöster Photoemission.
„Damit haben wir erstmals gezeigt, dass das Phänomen der automatischen Spintrennung auch in einem simplen, elementaren Kristallgitter existiert“, freut sich Schäfer. Dadurch sieht er die Herstellung brauchbarer topologischer Isolatoren in greifbare Nähe gerückt. Unterfüttert sind die neuen Experimente von theoretischen Überlegungen, die der Würzburger Physikprofessor Werner Hanke gemeinsam mit Kollegen in Jülich angestellt hat. Da die Spintrennung im Zinn-Gitter an sich nun zuverlässig erzeugt werden kann, wollen die Physiker als nächstes das Leitfähigkeitsverhalten von kompletten Strukturen mit elektrischen Kontakten erforschen und optimieren.
Erste Demonstrationen des Spintransports in Schichten mit topologischen Materialien haben bereits bei Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunktes funktioniert. Für die praktische Anwendung sind somit noch eine Reihe technologischer Fragen zu klären, darunter die Realisierung von Schaltungen, die ohne Kühlung auskommen.
JMU / OD
