Forschung

Reibung in topologischen Isolatoren

18.10.2019 - Elektrische Spannungen beeinflussen die Dissipation von Energie in Wärme.

Dank ihren einzig­artigen elektrischen Eigen­schaften versprechen topo­logische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computer­industrie, aber auch bei der Entwicklung von Quanten­computern. Ihre ultradünne Oberfläche kann Strom fast wider­standslos leiten, wodurch weniger Wärme entsteht als bei herkömm­lichen Materialien. Das macht sie für elektronische Bauteile besonders interessant. Dazu kann bei topo­logischen Isolatoren die elektronische Reibung – also die durch Elektronen vermittelte Umwandlung von elek­trischer Energie in Wärme – reduziert und gesteuert werden. Das konnten nun Forscher der Universität Basel, des Swiss Nanoscience Institute (SNI) und der Technischen Univer­sität Istanbul im Experiment nachweisen und zeigen, wie sich die Dissipation von Energie in Wärme durch Reibung genau verhält.

Das Team um Ernst Meyer vom Departement Physik der Universität Basel hat untersucht, wie sich Reibung an der Oberfläche eines topo­logischen Isolators aus Bismut-Tellurid auswirkt. Die Wissen­schaftler verwendeten dazu ein Rasterkraft­mikroskop im Pendelmodus. Dabei schwingt die leitende Mikroskop­spitze aus Gold knapp über der zwei­dimensionalen Oberfläche des topo­logischen Isolators hin und her. Wird eine Spannung an die Mikroskop­spitze angelegt, induziert die Bewegung des Pendels einen kleinen elektrischen Strom auf der Oberfläche. Bei herkömm­lichen Materialien wird ein Teil dieser elektrischen Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt. Bei der leitenden Oberfläche des topo­logischen Isolators sieht das Ergebnis ganz anders aus: Der Energieverlust durch die Umwandlung in Wärme ist stark reduziert.

„Wir sehen an unseren Messungen ganz deutlich, dass es bei bestimmten Spannungen praktisch keine Wärme­bildung durch elek­tronische Reibung gibt“, erklärt Dilek Yildiz, die diese Arbeiten im Rahmen der SNI-Doktorandens­chule durchgeführt hat. Gleichzeitig konnten die Forscher erstmals einen neuartigen, quanten­mechanischen Dissipations­mechanismus beobachten, der nur bei bestimmten Spannungen erfolgt. Bei diesen Bedingungen wandern die Elektronen von der Spitze über einen Zwischen­zustand ins Material – ähnlich wie beim Tunneleffekt in Rastertunnel­mikroskopen. Über die Regulierung der Spannung konnten die Wissenschaftler die Dissipation beein­flussen. „Die Messungen untermauern das große Potenzial topo­logischer Isolatoren, da sich die elek­tronische Reibung gezielt steuern lässt“, ergänzt Ernst Meyer.

U. Basel / JOL

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