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Theoretisch Hochtemperatur-supraleitend

Neuer topologischer Isolator mit leitenden Kanten

19. Juni 2018, 11:37 Uhr | Hagen Lang

Schematische Darstellung eines topologischen Isolators höherer Ordnung in Form eines Nanodrahtes mit leitenden Kanälen auf den Kanten

Forscher untersuchen kristalline Festkörper, die die Eigenschaft besitzen, an ihren Kanten Strom zu leiten, während ihre sonstigen Regionen isolieren. Theoretisch bei hohen Temperaturen supraleitend, sind sie für den Einsatz in der Halbleitertechnik und in Quantencomputern interessant.

Topologische Isolatoren leiten auf den Oberflächen Strom, isolieren aber innen elektrisch. Die leitfähigen Stellen sind topologisch geschützt und nur sehr schwer in einen isolierenden Zustand zu überführen. Nun wurden neuartige topologische Isolatoren erforscht, die nicht auf den gesamten Oberflächen Strom leiten, sondern nur auf den Kanten.

Die Kanten dieser von den Forschern „topologische Isolatoren höherer Ordnung“ getauften Materialien sind dabei sehr robust. Verunreinigungen oder Unordnungen in der Kristallstruktur beeinträchtigen die Leitfähigkeit nicht. Der Strom fließt um die Störungen herum. Bricht ein Kristall, sind die neuen Kanten wiederum leitfähig. Besondere Präparationen sind für die Herstellung der Leitfähigkeit der Kanten nicht notwendig.

Supraleitungs-ähnliche Eigenschaften bei hohen Temperaturen

Langfristig könnten Leiterbahnen in elektrischen Schaltkreisen aus Nanodrähten aus topologischen Isolatoren höherer Ordnung bestehen, die in Quantencomputern zum Einsatz kommen könnten. „Das Spannendste ist, dass Strom auf diese Art zumindest theoretisch widerstandsfrei geleitet werden kann“, sagt Titus Neupert, Professor am Institut für Physik der Universität Zürich (UZH).

„Man kann sich die Kristallkanten wie eine Autobahn für Elektronen vorstellen. Sie können nicht einfach umkehren“. Erst 2016 gelang die Synthese einer Lage Bismut auf Siliziumkarbid, wobei das Phänomen der Supraleitung wegen der Energielücke von 0,8 eV zwischen Valenzband und Leitungsband des Materials auch bei Raumtemperatur funktionieren sollte.

Das Team, bestehend aus Forschern der UZH, der Universität Princeton, des International Physics Centers der Universität San Sebastian (Donostia) und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle beschäftigt sich momentan noch vorrangig mit der theoretischen Seite des Phänomens. Die erste von ihnen vorgeschlagene Verbindung, die besagte Eigenschaften besitzen soll, ist Zinn-Tellurid. Wir müssen weitere mögliche Materialien dieser neuen Klasse identifizieren und in Experimenten untersuchen", so Neupert. BU: Schematische Darstellung eines topologischen Isolators höherer Ordnung in Form eines Nanodrahtes mit leitenden Kanälen auf den Kanten.