Forschung

Dreieckige Honigwaben aus Indium

14.09.2021 - Quantenphysiker designen ein neues Zukunftsmaterial.

Forscher des Würzburg-Dresdner Exzellenz­clusters „ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter“ haben ein neues Quanten­material erfunden und hergestellt. Dieses „Indenen“ besteht aus einer einzelnen Atomlage des chemischen Elements Indium und gehört zur Materialklasse der topo­logischen Isolatoren. Sein maßge­schneidertes Struktur-Design als dreieckiges Atomgitter ist für solche Materialien nicht nur vollkommen neu, sondern bietet auch wesentliche Vorteile für zukünftige Anwendungen. Topo­logische Isolatoren gelten seit ihrem ersten Nachweis als Zukunfts­material für Quanten­computer und die Entwicklung kleinster elektronischer Bauteile.

Topologische Isolatoren versprechen eine effi­zientere und nach­haltigere Halb­leiter­techno­logie. Anders als bei herkömm­lichen Isolatoren bewegen sich Elektronen nur auf dem Rand des Materials, ganz ohne gestreut zu werden. Bei der Suche nach neuen topo­logischen Isolatoren sind bisher alle Theoretiker davon ausgegangen, dass die Anordnung der Atome in einem zwei­dimen­sio­nalen Honig­waben­gitter besonders viel­ver­sprechend ist – wie bei Graphen, einer einzelnen Lage aus Graphit. Nicht so das Würz­burger Forscher­team. Die Wissen­schaftler um Projekt­leiter Giorgio Sangio­vanni haben eine alter­native Atom­struktur vorge­schlagen: das Dreieck.

Mit modernster Molekular­strahl­techno­logie haben die Forscher der Arbeits­gruppe von Ralph Claessen diese Idee praktisch umgesetzt und eine einzelne Schicht Indiumatome als Dreiecks­gitter auf dem Träger­material Silizium­karbid aufgebaut – so entstand Indenen. Durch diese neuartige Material­kombination halten sich die Elektronen nicht direkt bei den Indium­atomen selbst, sondern bevorzugt im Raum zwischen ihnen auf. Aus der Sicht des Elektrons ergibt sich als „Negativ“ des Dreiecks­gitters ein Honig­waben­gitter – versteckt in den Leer­räumen der Atom­struktur.

Projektleiter Giorgio Sangiovanni erklärt das mit der quanten­mecha­nischen Wellen­natur von Teilchen: „Man kann sich die Indium-Elektronen als Wellen vorstellen, die sich auf den Zwischen­positionen des Dreiecks­gitters über­lagern. Dadurch sitzen die Elektronen nicht auf den Dreiecks­positionen der Indium Atome, sondern sammeln sich in den leeren Regionen dazwischen. Interes­santer­weise führt die sich daraus ergebende versteckte Honig­waben-Struktur zu einem robusteren topo­logischen Isolator als Graphen es ist.“

Die einzigartige Kombination aus Atom­gitter und Material hat entscheidende Vorteile für zukünftige elektronische Bauteile: Anders als Graphen benötigt Indenen keine Abkühlung auf ultratiefe Temperaturen, um seine Eigen­schaften als topo­logischer Isolator nutzbar zu machen. Zudem erlaubt das einfache Dreiecks­gitters die Herstellung großer zusammen­hängender Bereiche – eine Hürde, an der andere topo­logische Isolatoren bisweilen gescheitert sind.

„Wir waren schon verblüfft, dass eine so einfache Atom­struktur topo­logische Eigen­schaften zeigen kann. Das ist ein wesent­licher Vorteil für die Erzeugung perfekter Indenen-Filme, wie man sie zur Nano­pro­duktion elektro­nischer Bauteile benötigt. Hinzu kommt, dass uns die Verwendung von Silizium­karbid als Träger­material eine direkte Anknüpfung an bewährte Halb­leiter­techno­logien erlaubt“, bewertet Claessen das Forschungs­ergebnis.

Die einfache Struktur von Indenen ist jedoch gleich­zeitig sein Problem: Sobald die einzelne Indium-Atomlage mit Luft in Kontakt kommt, verliert das Material seine außer­ge­wöhn­lichen Eigen­schaften. Daher entwickeln die Forscher derzeit geeignete Schutz­schichten, um das Indenen vor Ver­unrei­ni­gungen im Produktions­prozess zu schützen. Sobald diese techno­logische Heraus­forderung gelöst ist, steht der Nutzung dieses viel­ver­sprechenden topo­logischen Quanten­materials nichts mehr im Weg.

JMU / RK

Weitere Infos

 

 

Reale Strömungsanwendungen simulieren

In diesem Web Seminar erhalten Sie einen Überblick über die wichtigsten Effekte und Wechselwirkungen bei der Simulation laminarer, turbulenter, ein- und mehrphasiger, inkompressibler und kompressibler Strömungsanwendungen.

Registrieren Sie sich jetzt

Reale Strömungsanwendungen simulieren

In diesem Web Seminar erhalten Sie einen Überblick über die wichtigsten Effekte und Wechselwirkungen bei der Simulation laminarer, turbulenter, ein- und mehrphasiger, inkompressibler und kompressibler Strömungsanwendungen.

Registrieren Sie sich jetzt