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

Weitere Infos

Die nächste Generation der effizienten Lösung für die Gasanalyse von Pfeiffer Vacuum

OmniStar und ThermoStar sind kompakte Benchtop-Analysegeräte für Probengase die unter Atmosphärendruck vorliegen. Sie sind die perfekte Komplettlösung zur Gasanalyse, insbesondere bei chemischen Prozessen, in der Halbleiterindustrie,

Metallurgie, Fermentation, Katalyse, Gefriertrocknung und bei der Umweltanalyse. Die Analysesysteme bestehen aus Einlasssystem, Massenspektrometer PrismaPro, trocken verdichtender Membranvakuumpumpe MVP und Turbopumpe HiPace.

 

Pfeiffer Video

Erfahren Sie mehr über Analysegeräte

Newsletter

Die Physik in Ihrer Mailbox – abonnieren Sie hier kostenlos den pro-physik.de Newsletter!

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

*Interior Permanent-Magnet

Pfeiffer HiScroll Pumpen Video

Erfahren Sie mehr über die neue HiScroll Vakuumpumpe

On-demand-Webinar: Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik

Nach einer kurzen Einführung in das Lock-in Verstärker Messverfahren erfahren Sie, wie diese Messtechnik bessere und schnellere Transportmessungen ermöglicht.

Mehr Informationen zum on-demand-Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

Eventbeginn:
03.11.2020 - 12:00
Eventende:
03.11.2020 - 16:00

Mehr Informationen

On-demand-Webinar: Von Transportmessungen in der Festkörperphysik zur Impedanzanalyse in der Elektrotechnik

Nach einer kurzen Einführung in das Lock-in Verstärker Messverfahren erfahren Sie, wie diese Messtechnik bessere und schnellere Transportmessungen ermöglicht.

Mehr Informationen zum on-demand-Webinar

Virtuelle Jobbörse

Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Da die erste virtuelle Jobbörse mit mehr als 1.500 Registrierungen und über 1.000 teilnehmenden Personen ein sehr großer Erfolg für Anbieter und Teilnehmende war, bieten die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) und der Verlag Wiley-VCH eine weitere virtuelle Jobbörse im Herbst an.

Eventbeginn:
03.11.2020 - 12:00
Eventende:
03.11.2020 - 16:00

Mehr Informationen