Paritätsanomalie in einem topologischem Isolator

Topologische Isolatoren sind Materialien, die elektrischen Strom leiten können, aber nur an ihrer Oberfläche oder an den Kanten. In ihrem Inneren fließt kein Strom. Sie werden weltweit intensiv erforscht, weil sie einzigartige elektronische Eigenschaften besitzen, die zum Beispiel für die Verbesserung der Effizienz von Quantencomputern und für andere Technologien interessant sind, etwa für die Verschlüsselung und sichere Übertragung von Daten. Ein der Uni Würzburg hat jetzt einen ungewöhnlichen Quanten-Hall-Effekt an einem mikroskopisch kleinen Bauelement aus dem topologischen Isolatormaterial Quecksilber-Tellurid beobachtet.

In dem Bauelement verhalten sich die Elektronen an der oberen und unteren Oberfläche wie relativistische Dirac-Teilchen. Wie von der Teilchenphysik vorhergesagt, aber nicht experimentell bestätigt, sollten Dirac-Teilchen der Paritätsanomalie unterliegen. In Festkörperexperimenten führt diese Anomalie zu einem als spektrale Asymmetrie bezeichneten Effekt, der als ungewöhnliche Änderung des elektrischen Widerstands gemessen werden kann.

„Das Auftreten der Paritätsanomalie in Festkörpern wird seit den 1980er-Jahren vorhergesagt. Eine berühmte Theorie ist das von Haldane vorgeschlagene Modell. Wir haben nun eine weitere Folge der Paritätsanomalie identifiziert, die als erste auch experimentell verifiziert wurde“, sagt Ewelina Hankiewicz von der Uni Würzburg.

Das Forschungsteam hat diese zweidimensionale Dirac-Physik auf einer einzigen Oberfläche des dreidimensionalen topologischen Isolators realisiert. „Wir beobachten einen unkonventionellen reentranten Quanten-Hall-Effekt, der direkt mit dem Auftreten von spektraler Asymmetrie in einem einzigen topologischen Oberflächenzustand in Verbindung gebracht werden kann. Der Effekt ist nicht spezifisch für Quecksilber-Tellurid, sondern allgemein für jeden topologischen Isolator. Diese Universalität macht unsere Ergebnisse so spannend“, sagt Wouter Beugeling von der Uni Würzburg.

Für diese neuen Erkenntnisse waren zwei Herausforderungen zu bewältigen. Zum einen galt es, die Signatur der spektralen Asymmetrie unter den anderen Merkmalen des gemessenen elektrischen Widerstands zu identifizieren. Zum anderen war das Experiment so zu steuern, dass sich die Effekte der beiden Oberflächen nicht gegenseitig aufheben. „Die Beobachtung zeigt, dass wir mit dem hohen Maß an Kontrolle, das wir in diesem Bauelement haben, noch viel mehr interessante Aspekte zur Physik der topologischen Isolatoren erforschen können als bisher“, sagt Laurens Molenkamp von der Uni Würzburg.

Ein Schlüsselfaktor, um die für diese Beobachtung erforderliche experimentelle Genauigkeit zu erreichen, war die hohe Qualität des HgTe-Materials, das in der Molekularstrahlepitaxie-Anlage der Uni Würzburg hergestellt wurde. Die Molekularstrahlepitaxie ist eine Technik zur Herstellung von hauchdünnen Materialschichten mit maßgeschneiderten elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften. So lassen sich Schichtstrukturen Atomlage für Atomlage präzise aufbauen.

JMU Würzburg / RK