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Schienen für elektrischen Strom

29.06.2012
Förderung für neues Virtuelles Institut für topologische Isolatoren bewilligt

Koordiniert vom Forschungszentrum Jülich wird ab Juli ein neues Virtuelles Institut seine Arbeit aufnehmen. Am Virtuellen Institut für topologische Isolatoren (VITI) erforschen Wissenschaftler neuartige Materialien mit großem Potenzial für Anwendungen in den Informationstechnologien.


Topologische Isolatoren leiten Strom wie auf Schienen und damit schneller und mit weniger Wärmeentwicklung als herkömmliche Materialien. Die Abbildung zeigt einen zweidimensionalen topologischen Isolator an der Grenzfläche zwischen Materialschichten. Elektronen, dargestellt als rote Kugeln, können darin nur in jeweils eine Richtung fließen, die bestimmt wird durch ihre magnetische (Spin-) Ausrichtung, symbolisiert durch die schwarzen Pfeile. Das neue virtuelle Institut zwischen Jülich, Aachen, Würzburg und Shanghai erforscht komplexere dreidimensionale Systeme in Volumenmaterialien und ihre Herstellmöglichkeiten.
Quelle: Forschungszentrum Jülich

Neben Jülich sind die RWTH Aachen sowie die Universität Würzburg und das Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology beteiligt. Die Helmholtz-Gemeinschaft fördert das Vorhaben über drei bis fünf Jahre mit jährlich 600.000 Euro; 300.000 Euro pro Jahr bringen die Partner auf.

Die Perspektiven sind aussichtsreich: Wenn topologische Isolatoren eines Tages in Computern und Handys eingesetzt werden können, könnten diese superschnell arbeiten, ohne dabei warm zu werden. Bisher wird die Entwicklung noch schnellerer Rechner und energiesparenderer Mobiltelefone unter anderem durch die Erwärmung der Chips deutlich begrenzt. Topologische Isolatoren könnten die Entwicklung neuer spintronischer Bauelemente ermöglichen und so die Basis einer neuen „grünen“ Informationstechnologie bilden.

Topologische Isolatoren sind im Materialinneren Isolatoren, aber an ihren Oberflächen und Rändern leiten sie elektrischen Strom. „Strom fließt dort wie auf Schienen – das ist revolutionär“, erläutert Professor Thomas Schäpers vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen, Sprecher des Virtuellen Instituts. Topologische Isolatoren können dadurch den Strom schneller, mit geringerem Widerstand und weniger Wärmeentwicklung leiten als herkömmliche Materialien, durch die sich die Elektronen im Zickzack bewegen müssen. Diese einmalige Eigenschaft macht die neue Materialklasse so interessant für Grundlagenforschung und Anwendung.

Die Existenz topologischer Isolatoren war zunächst von theoretischen Physikern vorhergesagt worden. Die Materialien sind schwer herzustellen und noch wenig erforscht. Erst 2007 gelang Wissenschaftlern der Universität Würzburg die Synthese und der experimentelle Nachweis des elektrischen Transports an den Rändern zweidimensionaler Systeme in dünnen Schichten. Das neue Virtuelle Institut vereint die Expertise von Theoretikern und Experimentatoren einschließlich der renommierten Würzburger Gruppe.

Ein wesentliches Ziel von VITI besteht in der Synthese hochwertiger dreidimensionaler topologischer Isolatoren; die Physik der topologischen Zustände zu entschlüsseln ist das zweite zentrale Ziel. Jülich bringt insbesondere seine Kompetenzen im Wachstum von Schichten, der Messung und Berechnung von elektronischen Transporteigenschaften sowie der Berechnung von Materialeigenschaften in das Virtuelle Institut ein.

Mit VITI verstärkt das Forschungszentrum bestehende Kooperationen im universitären Bereich, wie der Jülich Aachen Research Alliance, Sektion JARA-FIT, und mit dem Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology. Die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses ist ebenfalls ein zentrales Anliegen. So finanziert das Virtuelle Institut neun Stellen für Doktorandinnen und Doktoranden und fördert die gemeinsame Nutzung von Infrastruktur sowie den Austausch durch spezielle Vorlesungen und Sommerschulen.

Ansprechpartner:

Prof. Thomas Schäpers, Peter Grünberg Institut, Bereich Halbleiter-Nanoelektronik
Tel. 02461 61-2668
th.schaepers@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin
Tel. 02461 61-6048
a.wenzik@fz-juelich.de

Angela Wenzik | Forschungszentrum Jülich
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

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