Weltweit wird intensiv an einem Material geforscht, das eine Revolution in der Datenverarbeitung verspricht. Physiker haben es jetzt erstmals aus einem ganz einfachen Baustoff hergestellt. Die Fachwelt ist verblüfft.
Daten immer schneller verarbeiten und speichern, noch kleinere und leistungsfähigere Chips bauen: An diesen Zielen arbeiten weltweit viele Forschungsgruppen. Seit einigen Jahren steht dabei eine besondere Materialklasse im Mittelpunkt, die so genannten topologischen Isolatoren. In ihnen trennen sich die Elektronen von ganz alleine nach ihrer jeweiligen Spinausrichtung, völlig ohne den Einsatz elektrischer oder magnetischer Felder.
„Diese Eigenschaft ist von weitreichender Bedeutung“, erklärt Professor Ralph Claessen vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg: „Wenn man topologische Isolatoren mit elektrischen Kontakten versieht, kann man daraus Schaltkreise bauen, die mit der Spinrichtung kodierte Informationen weiterleiten.“ Diese neue Art der Datenübermittlung beruht nicht mehr auf dem Transport elektrischer Ladungen. Sie ist darum deutlich schneller und zuverlässiger.
Warum Zinn einen Fortschritt bedeutet
Den Würzburger Physikern ist es jetzt erstmals gelungen, topologische Isolatoren aus Zinn herzustellen, also aus einem simplen und leicht verfügbaren Material. „Das vereinfacht die Herstellung erheblich, denn bislang gab es solche Isolatoren nur aus komplizierten chemischen Verbindungen oder umweltschädlichen Materialien“, sagt Claessens Mitarbeiter Jörg Schäfer.
Ihren Forschungserfolg stellen die Physiker in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ vor. Er ist ihnen in einer internationalen Kooperation mit Arbeitsgruppen aus der Schweiz und den USA sowie vom Forschungszentrum Jülich gelungen. Am Würzburger Physikalischen Institut befasst sich auch Professor Laurens Molenkamp erfolgreich mit topologischen Isolatoren: Er hat die ungewöhnlichen Eigenschaften dieser Materialklasse – motiviert durch theoretische Vorhersagen – vor wenigen Jahren erstmals experimentell bestätigt.
Wie der topologische Isolator entstand
In den neuen Experimenten am Lehrstuhl von Ralph Claessen wurden nun – unter der Leitung von Jörg Schäfer – dünne Zinn-Schichten besonders langsam auf einen Halbleiterträger aufgedampft. Dabei bildete sich ein geordnetes Kristallgitter aus Zinn-Atomen, das mit dem von Diamant identisch ist.
„In den experimentellen Untersuchungen hat sich dann herausgestellt, dass diese Schicht die gesuchten ungewöhnlichen Eigenschaften aufweist: Die Spins der Elektronen sind in zwei Richtungen mit genau umgekehrt stehenden Magnetnadeln sortiert, und die beiden Gruppen bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen“, so Schäfer. Nachgewiesen wurde das mit spinaufgelöster Photoemission.
„Damit haben wir erstmals gezeigt, dass das Phänomen der automatischen Spintrennung auch in einem simplen, elementaren Kristallgitter existiert“, freut sich Schäfer. Dadurch sieht er die Herstellung brauchbarer topologischer Isolatoren in greifbare Nähe gerückt. Unterfüttert sind die neuen Experimente von theoretischen Überlegungen, die der Würzburger Physikprofessor Werner Hanke gemeinsam mit Kollegen in Jülich angestellt hat.
Was die Physiker als nächstes tun
Da die Spintrennung im Zinn-Gitter an sich nun zuverlässig erzeugt werden kann, wollen die Physiker als nächstes das Leitfähigkeitsverhalten von kompletten Strukturen mit elektrischen Kontakten erforschen und optimieren.
Erste Demonstrationen des Spintransports in Schichten mit topologischen Materialien haben bereits bei Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunktes funktioniert. Für die praktische Anwendung sind somit noch eine Reihe technologischer Fragen zu klären, darunter die Realisierung von Schaltungen, die ohne Kühlung auskommen. Zu diesem Zweck arbeiten die Würzburger Physiker mit ihren Fachkenntnissen in Materialherstellung und -untersuchung jetzt besonders intensiv zusammen.
(Physical Review Letters, 2013; doi:10.1103/PhysRevLett.111.157205)
(Julius-Maximilians-Universität Würzburg, 29.10.2013 – KSA)
