Strom verlustfrei leiten

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Neuartige Isolatoren mit leitenden Kanten

Physiker der Züricher Universität erforschen eine neue Materialklasse, die sogenannten topologischen Isolatoren höherer Ordnung. Die Kanten dieser kristallinen Festkörper leiten elektrischen Strom verlustfrei, während der Rest des Kristalls isoliert. Dies wäre sehr nützlich in der Halbleitertechnik und für den Bau von Quantencomputern. Erste Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift Science Advances publiziert.

Schema eines topologischen Isolators höherer Ordnung – Nanodraht mit leitenden Kanälen auf den Kanten – Grafik © UZH

In der Topologie werden Eigenschaften von Objekten und Festkörpern untersucht, die gegen Störungen und Verformungen geschützt sind. Bekannt sind bisher sogenannte topologische Isolatoren – Kristalle, die im Inneren elektrisch isolierend sind, außen aber Strom leiten. Die leitenden Oberflächenzustände sind topologisch geschützt und können nur schwer in einen isolierenden Zustand überführt werden.

Neue Materialklasse „topologische Isolatoren höherer Ordnung“

Theoretische Physiker unter der Leitung der Universität Zürich haben nun eine neue Klasse von topologischen Isolatoren erforscht, die nicht auf den Oberflächen, sondern auf den Kristallkanten leitende Zustände besitzen. Das Team aus Wissenschaftlern der UZH, der Universität Princeton, des Donostia International Physics Centers und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle hat diese neue Materialklasse „topologische Isolatoren höherer Ordnung“ getauft. Diese sind besonders interessant, weil die elektrisch leitenden Kanten äußerst robust sind: Verunreinigungen oder Unordnung im Kristall halten den Fluss der topologischen Elektronen nicht auf, der Strom fließt einfach um das Hindernis herum.

Kanten sind für Elektronen wie Autobahnen

Die Kanten müssen zudem nicht besonders präpariert werden, um leitfähig zu sein. Bricht der Kristall, sind auch die neuen Kanten automatisch wieder leitend. „Das Spannendste aber ist, dass Strom auf diese Art zumindest theoretisch widerstandsfrei geleitet werden kann“, sagt  Titus Neupert, Professor am Institut für Physik der UZH. „Man kann sich die Kristallkanten wie eine Autobahn für Elektronen vorstellen. Sie können nicht einfach umkehren“. Diese Eigenschaft der widerstandsfreien Leitfähigkeit, die vor allem von Supraleitern bei tiefen Temperaturen bekannt ist, lässt sich bei den bisher bekannten topologischen Isolatoren mit leitenden Oberflächen nicht finden.

Weitere theoretische und experimentelle Untersuchungen nötig

Noch überwiegen die theoretischen Aspekte in der Studie der Physiker. Als erste Verbindung, welche diese neuartigen Eigenschaften aufweisen sollte, haben sie Zinn-Tellurid vorgeschlagen. „Wir müssen weitere mögliche Materialien dieser neuen Klasse identifizieren und in Experimenten untersuchen“, sagt Neupert. Die Forscher hoffen, dass Nanodrähte, die aus den von ihnen untersuchten topologischen Isolatoren höherer Ordnung bestehen, künftig als Leiterbahnen in elektrischen Schaltkreisen eingesetzt werden können. Sie könnten mit magnetischen und supraleitenden Materialien kombiniert und in Quantencomputern eingesetzt werden.

[note Abstract aus dem Science Advances-Artikel: „Dreidimensionale topologische (kristalline) Isolatoren sind Materialien mit einem isolierenden Volumen, aber leitenden Oberflächenzuständen, die durch zeitliche (oder räumliche) Symmetrien topologisch geschützt sind. Wir erweitern den Begriff der dreidimensionalen topologischen Isolatoren auf Systeme, die keine lückenlosen Oberflächenzustände, sondern topologisch geschützte lückenlose Scharnierzustände aufweisen. Ihr topologischer Charakter wird durch raumzeitliche Symmetrien geschützt, von denen wir zwei Fälle vorstellen:
1. Chirale*) topologische Isolatoren höherer Ordnung, die durch die Kombination von Zeitumkehr und vierfacher Rotationssymmetrie geschützt sind.
2. Topologische Isolatoren höherer Ordnung, die durch Zeitumkehr- und Spiegelsymmetrien geschützt sind.
Wir liefern die topologischen Invarianten für beide Fälle. Darüber hinaus zeigen wir, dass SnTe sowie oberflächenmodifizierte Bi2TeI, BiSe und BiTe wendelförmige topologische Isolatoren höherer Ordnung sind und schlagen einen realistischen Versuchsaufbau zur Erkennung der Scharnierzustände vor.
*) Chiralität beschreibt eine räumliche Anordnung von Atomen in einem Molekül. Chiralität ist ein griechisches Kunstwort und bedeutet „Händigkeit“. Gängige Beispiele aus dem Alltagsleben sind rechte und linke Hand, rechts- bzw. linksgewundene Schneckenhäuser oder Schrauben.]

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