Elektronenautobahn im Kristall

Sie sind das derzeit „heißeste Eisen“ der Physik, wie die Neue Zürcher Zeitung schreibt: topologische Isolatoren. Ihre Bedeutung wurde erst vor wenigen Wochen noch einmal hervorgehoben, als die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm den diesjährigen Physiknobelpreis an drei britische Wissenschaftler verliehen hat für die Erforschung sogenannter topologischer Phasenübergänge und topologischer Phasen von Materie.

An topologischen Isolatoren wird auch an den Lehrstühlen für Experimentelle Physik II und Theoretische Physik I der Universität Würzburg geforscht, allerdings an einer speziellen Variante: topologisch kristallinen Isolatoren (TCI). In Kooperation mit Wissenschaftlern der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau sowie der Universität Zürich ist den Würzburger Physikern jetzt ein wichtiger Durchbruch gelungen. Sie konnten an diesen Isolatoren neuartige elektronische Zustände von Materie nachweisen. In der aktuellen Ausgabe von Science stellen sie ihre Arbeit vor.

Stufenkanten geben Elektronen den Weg vor

Das zentrale Ergebnis: Werden kristalline Materialien gespalten, entstehen an den abgespalteten Oberflächen kleine atomar flache Bereiche, die durch Stufenkanten voneinander getrennt sind. Darin bilden sich Leiterbahnen für elektrische Ströme, die mit etwa zehn Nanometern extrem schmal sind und die sich durch eine überraschende Robustheit gegen äußere Störungen auszeichnen. In diesen Leiterbahnen bewegen sich Elektronen mit unterschiedlichem Spin in entgegengesetzte Richtungen – ähnlich einer Autobahn mit separaten Fahrspuren für beide Fahrrichtungen. Dies macht die Materialien für technologische Anwendungen in zukünftigen Elektronik-Bauteilen, wie etwa in besonders schnellen und energiesparenden Computern, interessant.

„TCIs sind verhältnismäßig einfach herzustellen und heben sich bereits aufgrund ihrer besonderen Kristallstruktur von konventionellen Materialien ab“, erklärt Dr. Paolo Sessi den Hintergrund der jetzt veröffentlichten Arbeit. Sessi ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Experimentelle Physik II und Erstautor der Studie. Was sie außerdem so besonders macht, sind ihre elektronischen Eigenschaften: In topologischen Materialien bedingt die Richtung des Spins die Bewegungsrichtung der Elektronen. „Spin“ kann vereinfacht als magnetischer Dipol interpretiert werden, der in zwei Richtungen („up“ und „down“) zeigen kann. Up-Spin-Elektronen bewegen sich demnach in TCIs in die eine, down-Spin Elektronen in die andere Richtung.

Auf die Anzahl der atomaren Schichten kommt es an

„Allerdings war bislang weitestgehend unklar, wie die dafür nötigen Leiterbahnen hergestellt werden könnten“, erklärt Professor Matthias Bode, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik II und Mitautor der Studie. Der Zufall brachte die Forscher jetzt auf den richtigen Weg: Sie entdeckten, dass beim Spalten des topologisch kristallinen Isolators Blei-Zinn-Selenid (PbSnSe) sehr schmale Leiterbahnen auf ganz natürliche Weise entstehen.

Verantwortlich dafür sind Stufenkanten auf den Oberflächen der Bruchstücke, die sich mit einem hochauflösenden Rastertunnelmikroskop abbilden lassen – genauer gesagt: die Höhe der jeweiligen Stufenkanten. „Kanten, die eine gerade Anzahl atomarer Ebenen überbrücken, sind völlig unauffällig. Reichen die Kanten allerdings über eine ungerade Anzahl atomarer Ebenen entsteht, ein etwa zehn Nanometer schmaler Bereich mit den bislang unbekannten elektronischen Leitungsbahneigenschaften“, erklärt Sessi.  

An der Kante bricht das Muster

Den Ursprung dieser neuen elektronischen Zustände konnten die Experimentalphysiker dank der Unterstützung Würzburger Kollegen vom Lehrstuhl für Theoretische Physik 1 sowie der Universität Zürich aufklären. Zum Verständnis ist ein wenig räumliches Vorstellungsvermögen notwendig:

„Die Kristallstruktur führt zu einer Anordnung der Atome, bei der sich die verschiedenen Elemente wie die weißen und schwarzen Felder eines Schachfeldes abwechseln“, erklärt Matthias Bode. Der Wechsel von Weiß und Schwarz gilt nicht nur für nebeneinander liegende Felder, sondern auch für darüber und darunter liegende.

Zieht sich der Bruch dieses Kristalls also durch unterschiedliche atomare Schichten, bildet sich dort nicht nur eine Kante. Von oben gesehen können an dieser Kante auch weiße an weiße Felder stoßen und schwarze an schwarze – oder eben gleiche Atome an gleiche – aber nur dann, wenn eine ungerade Anzahl von Atomlagen für den Höhenunterschied zwischen den beiden Oberflächen sorgt.

Bestätigung durch die Theorie

„Berechnungen zeigen, dass dieser Versatz an der Oberfläche tatsächlich für diese neuartigen elektronischen Zustände ursächlich ist“, sagt Paolo Sassi.  Sie weisen darüber hinaus nach, dass die für topologische Materialien charakteristische spinabhängige Leitungsbahnphänomenologie auch hier vorliegt.  

Nach Ansicht der Wissenschaftler macht insbesondere diese Eigenschaft die Entdeckung für potentielle Anwendungen interessant, da derartige Leitungsbahnen einerseits zu geringen Leitungsverlusten führen, andererseits aber auch direkt für die Übermittlung und Verarbeitung von Information im Bereich der Spintronics genutzt werden könnten.  

Hierzu müssten allerdings noch zahlreiche Fragen beantwortet und Herausforderungen überwunden werden.  So sei beispielsweise nicht klar, über welche Distanzen sich Ströme in den neu entdeckten Leiterbahnen transportieren lassen.  Auch müssten für die Anwendung in Schaltkreisen Methoden entwickelt werden, mit denen Stufenkanten definierter Höhe entlang vorgegebener Richtungen erzeugt werden können.

Video auf Youtube

Ein kurzes Video, das die Vorgänge darstellt, ist auf dem Youtube-Kanal der Uni Würzburg zu finden:

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Robust spin-polarized midgap states at step edges of topological crystalline insulators, Paolo Sessi, Domenico Di Sante, Andrzej Szczerbakow, Florian Glott, Stefan Wilfert, Henrik Schmidt, Thomas Bathon, Piotr Dziawa, Martin Greiter, Titus Neupert, Giorgio Sangiovanni, Tomasz Story, Ronny Thomale und Matthias Bode; Science Magazine 2016. DOI: 10.1126/science.aah6233

Kontakt

Dr. Paolo Sessi, Lehrstuhl für Experimentelle Physik 2, Universität Würzburg
T: (0931) 31-88021, E-Mail: paolo.sessi@physik.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Matthias Bode, Lehrstuhl für Experimentelle Physik 2, Universität Würzburg
T:  (0931) 31-83218, E-Mail: matthias.bode@uni-wuerzburg.de