Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin haben an topologischen Isolatoren einen ferroelektrischen Phasenübergang zwischen zwei topologischen Phasen entdeckt. Die sich spontan bildende elektrische Polarisation lässt sich durch ein elektrisches Feld umschalten und ermöglicht neue Anwendungen.
Topologische Isolatoren sind in ihrem Innern Isolatoren, während sie auf ihrer Oberfläche Strom gut leiten. Zu dieser Materialklasse gehören auch Halbleiter aus Blei, Zinn und Selen, die zusätzlich mit winzigen Mengen Bismut versetzt sind.
Das HZB-Team untersuchte einkristalline Schichten mit dieser Zusammensetzung und variierte dabei die Dotierung mit dem Element Bismut. Bei einer Dotierung mit 1 bis 2 Prozent Bismut konnten sie einen neuartigen topologischen Phasenübergang beobachten.
Die Proben wechseln zu einer bestimmten topologischen Phase, die die Eigenschaft der Ferroelektrizität besitzt. Das bedeutet, dass ein äußeres elektrisches Feld das Kristallgitter verformt, während umgekehrt mechanischer Druck auf den Kristall elektrische Felder erzeugt.
Ferroelektrische Phasenwechselmaterialien werden u.a. in DVDs und Flashspeichern verwendet, in denen eine elektrische Spannung Atome im Kristallgitter verschiebt, was aus einem Isolator ein Metall macht.
»Die Dotierung mit Bismut, die wir in der PbSnSe-Schicht untersucht haben, wirkt offenbar als Störung. Bismut ist dafür bekannt, dass seine Elektronenzahl nicht gut zu einer Kristallstruktur wie der von PbSnSe passt, so dass dieser faszinierende Phasenübergang auftritt«, erklärt Dr. Jaime Sánchez-Barriga, der für das Projekt zuständige Forscher.
»Ferroelektrische Phasen könnten hier zu Anwendungen führen, an die bislang nicht zu denken war. Verlustfreie elektrische Leitung in topologischen Materialien könnte sich nach Belieben an- und ausschalten lassen, durch Spannungspulse oder auch mechanische Spannungen«, erklärt Prof. Oliver Rader, der am HZB die Abteilung Materialien für grüne Spintronik leitet.