Elektronen „spinnen“ auf der Autobahn

  • 24. January 2012

Ein Schritt zur Spintronik: An der Oberfläche von topologischen Isolatoren mit Germanium, Zinn oder Blei fließt Strom sehr geordnet.

Wenn Strom durch gewöhnliche Metalle fließt, herrscht normalerweise ein ziemliches Elektronen-Chaos. Vor wenigen Jahren haben Forscher entdeckt, dass es Materialien gibt, in denen sich die Elektronen mit einer erstaunlichen Ordnung bewegen. Diese ungewöhnlichen Eigenschaften zeigen sie jedoch nur in einer hauchdünnen Schicht an der Oberfläche, ansonsten sind diese toplogische Isolatoren genannte Stoffe elektrisch nicht leitend. Nun hat ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Beteiligung von Physikern des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle eine Methode entwickelt, wie sich topologische Isolatoren mit ganz bestimmten Merkmalen herstellen lassen. Mit solchen Materialien könnten dazu dienen, künftig leistungsfähigere Computer zu konstruieren.

Abb.: Bilder topologischer Oberflächenzustände: In Photoemissionsspektren ist zu erkennen, wie sich die Zustände mit der Bindungsenergie der Elektronen verändern. Die weißen Linien in den eingeklinkten Bilder geben die theoretisch berechneten Kurven wieder. (Bild: PSI/MPI f. Mikrostrukturphysik)

Abb.: Bilder topologischer Oberflächenzustände: In Photoemissionsspektren ist zu erkennen, wie sich die Zustände mit der Bindungsenergie der Elektronen verändern. Die weißen Linien in den eingeklinkten Bilder geben die theoretisch berechneten Kurven wieder. (Bild: PSI/MPI f. Mikrostrukturphysik)


Ein Stoff, dessen Inneres nicht leitfähig ist, an dessen Oberfläche aber Elektronen fließen, ist etwas sehr Ungewöhnliches. Die Kombination eines Holzstücks, das mit einer Schicht Silber überzogen ist, würde genau diesen Effekt zeigen. Vor wenigen Jahren haben Physiker entdeckt, dass es diese ungewöhnliche Kombination zweier Eigenschaften tatsächlich in einem Material gibt. Stoffe dieser Art nennen Physiker „topologische Isolatoren“.

Erstmals stellten Physiker solche Randströme an sehr aufwändig zu produzierenden Graphitschichten fest. Inzwischen ist bekannt, dass auch einfacher herstellbare Metallverbindungen mit Wismut oder Antimon dieses ungewöhnliche Phänomen zeigen. Einem internationalen Team von Physikern des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle, des Physikzentrums in San Sebastian sowie der Universitäten in Tomsk, Zürich, Baku und Hamburg ist es nun erstmals gelungen, topologische Isolatoren mit ganz gezielten Merkmalen herzustellen.

Normalerweise herrscht in einem elektrischen Strom ein gewisses Chaos. Die Strom transportierenden Elektronen stoßen zusammen und gegen Atome. Sie verlieren dabei Energie und ändern ihre Richtung. In der dünnen stromführenden Randschicht eines topologischen Isolators bewegen sich die Elektronen dagegen im Idealfall wie Fahrzeuge auf einer Autobahn, auf der die Geschwindigkeit begrenzt und ein Mindestabstand vorgegeben ist. Die Elektronen fließen gleichmäßig dahin – ohne Zusammenstöße und Energieverluste. Dies ist möglich, weil den Randelektronen eine ganz bestimmte Ordnung aufgezwungen wird – genauer gesagt eine Spinordnung.

In einem gewöhnlichen elektrischen Strom spielt der Spin keine Rolle, weil der Spin der Elektronen völlig zufällig verteilt ist. Im idealen Randstrom eines topologischen Isolators dagegen nicht: Die Spins der Elektronen sind dort alle gleich ausgerichtet; ihre Achsen stehen senkrecht auf der Bewegungsrichtung, und der Spin ist mit ihr gekoppelt. Elektronen mit Spin nach „oben“ fließen nur in die eine Richtung, Elektronen mit Spin nach „unten“ nur in die entgegengesetzte. Bei den Antimon- und Wismut-Verbindungen (Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3), auf die sich die Forscher derzeit vor allem konzentrieren, kommt es jedoch vor, dass diese ideale Ordnung gestört ist.

Die Physiker Arthur Ernst und Jürgen Henk vom MPI für Mikrostrukurphysik sowie Kollegen haben nun in aufwändigen numerischen Rechnungen detailliert vorhergesagt, dass sich diese ideale Ordnung einstellt, wenn man den zweielementigen Verbindungen ein drittes Element zufügt, und zwar aus der VI. Gruppe des Periodensystems (Germanium, Zinn, Blei). Die anderen beteiligten Forscher haben die theoretischen Ergebnisse experimentell bestätigt. Zukünftig können mit dieser Methode topologische Isolatoren mit den gewünschten Merkmalen hergestellt werden.

Für Anwendungen sind die erstaunlichen Eigenschaften dieser Randelektronen äußerst interessant: Die Spintronik hat zum Ziel, neben der elektrischen Ladung eines Tages auch den Spin der Elektronen für die elektronische Informationsverarbeitung zu nutzen. Das macht topologische Isolatoren zu potentiellen Materialien der Computer von morgen. Auf jeden Fall ist es der Grund dafür, dass sie heute eines der „heißesten“ Forschungsgebiete der Physik sind.

PR/PH / PH

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