Wassermoleküle auf einem topologischen Isolator

Das Verhalten von Wasser auf atomarer Ebene zu verstehen, bleibt eine Heraus­forderung für Experi­mental­physiker, da die leichten Wasser- und Sauer­stoff­atome mit herkömm­lichen experi­men­tellen Methoden schwer zu beobachten sind. Das trifft vor allem zu, wenn man die mikro­sko­pischen Bewegungen von einzelnen Wasser­molekülen beobachten möchte, die inner­halb von Piko­sekunden auf einer Ober­fläche ablaufen. Einem inter­natio­nalen Forscher­team gelang es jetzt, das Verhalten von Wasser auf einem derzeit besonders interes­santen Material erforschen: dem topo­lo­gischen Isolator Bismut­tellurid. Bismut­tellurid könnte für den Bau von Quanten­computern ein­ge­setzt werden. Wasser­dampf wäre dann ein Umwelt­ein­fluss, dem aus Bismut­tellurid gebaute Anwendungen im realen Betrieb aus­ge­setzt sein könnten.

Die Forscher kombinierten theoretische Berech­nungen mit einer neuen experi­men­tellen Methode, der Helium-Spin-Echo-Spektro­skopie. Dabei werden Helium­atome mit sehr niedriger Energie genutzt, die es erlauben, isolierte Wasser­moleküle zu beobachten, ohne dabei deren Bewegung zu beein­flussen. Die Wissen­schaftler fanden heraus, dass sich Wasser­moleküle auf Bismut­tellurid gänz­lich anders verhalten als auf Standard­metallen. Auf herkömm­lichen Materialien zeigen Wasser­moleküle anziehende Bewegungen und bilden Ansamm­lungen in Form von Wasser­filmen. Bei topo­lo­gischen Isolatoren ist genau das Gegen­teil der Fall: Die Wasser­moleküle stoßen einander ab, und bleiben auf der Ober­fläche isoliert.

Bismuttellurid scheint somit relativ unempfind­lich gegen­über Wasser zu sein. Das ist ein großer Vorteil für Anwendungen, die unter herkömm­lichen Umwelt­bedingungen funktio­nieren müssen. Weitere Experi­mente an ähnlich aufge­bauten Ober­flächen sind bereits in Planung und sollen klären ob die Bewegung der Wasser­moleküle auf spezielle Eigen­schaften der unter­suchten Ober­fläche zurück­zu­führen ist.

TU Graz / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  A. Tamtögl et al.: Nanoscopic diffusion of water on a topological insulator, Nat. Commun. 11, 278 (2020); DOI: 10.1038/s41467-019-14064-7
• Advanced Materials Science, Technische Universität Graz, Österreich