Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Schaltelemente basierend auf elektronischer Selbstorganisation: Orbitronics

21.04.2015

Ein internationales Team von Wissenschaftlern aus Dresden, Hamburg, Lausanne und Urbana-Champaign hat, geleitet von einer Gruppe des IFW Dresden, ein neues Konzept für ultra-schnelle elektronische Schaltelemente entwickelt.

Wie die Forscher in der jüngsten Ausgabe von Nature Physics berichten, tritt in dem Material Tantaldisulfid spontan eine bisher unbekannte Texturierung elektronischer Orbitale auf, die es erlaubt, technologisch relevante Metall-Halbleiter Übergänge zu schalten. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten für ultra-schnelle Anwendungen in der Nanotechnologie, für die der Begriff „Orbitronics“ geprägt wurde.


Komplexe orbitale Textur in einer einzelnen Tantalsulfid-Ebene, welche mithilfe von aufwendigen theoretischen Analysen entdeckt wurde, Vergrößerungsfaktor: 60 Millionen

Bild: IFW Dresden


Schalten zwischen zwei metastabilen orbitalen Konfigurationen mit halbleitenden (oben) und metallischen (unten) Eigenschaften.

Bild: IFW Dresden

Das Verhalten stark wechselwirkender Elektronen sorgt immer wieder für Überraschungen. So auch im Fall des stark zweidimensionalen Materials Tantaldisulfid. Dieses Material besteht aus einer Stapelung einzelner Schichten, die aus dem Übergangsmetall Tantal und Schwefel gebildet werden und eine interessante Wabenstruktur besitzten.

Solche zweidimensionalen Schichten sind besonders seit der Entdeckung Graphens mit seinen besonderen Eigenschaften in den Fokus der Materialforscher gerückt. Tatsächlich zeigt auch Tantaldisulfid eine Reihe außergewöhnlicher elektronischer Eigenschaften. Besonders hervorstechend ist hierbei die Koexistenz von Supraleitung und Ladungsdichtewellen.

Während im ersten Fall die Ladungen ohne jeglichen Widerstand durch das Material fließen, kristallisieren sie im zweiten Fall und bilden ein statisches, räumlich geordnetes Gitter. Auf den ersten Blick scheinen sich diese beiden Phänomene daher auszuschließen.

Das veranlasste die Wissenschaftler, sich Tantaldisulfid genauer anzuschauen. An den beiden Synchrotronstrahlungsquellen des Deutschen Elektronensynchrotrons in Hamburg und des Helmholtz-Zentrums in Berlin beobachteten sie das ungewöhnliche Verhalten der Elektronen experimentell auf mikroskopischer Ebene. Gleichzeitig führten die Dresdner Forscher aufwendige theoretische Analysen durch und offenbarten dadurch ein erstaunliches Phänomen: die Ausbildung komplexer orbitaler Texturen.

Diese erstmals entdeckten orbitalen Texturen liefern Antworten auf eine Vielzahl lange offener Fragen im Bereich der Grundlagenforschung an Tantaldisulfid und vergleichbaren Schichtsystemen. Das betrifft die komplexe, sehr variable Kristallstruktur, die ungewöhnlichen Eigenschaften von Valenz- und Leitungselektronen und auch die eingangs schon erwähnten Phänomene Supraleitung und Ladungsdichtwellen.

Diese Ergebnisse bergen darüber hinaus ein großes Anwendungspotential. Durch die Stapelung orbital geordneter Ebenen ist es prinzipiell möglich, kontrolliert und schnell zwischen Metall und Halbleiter zu schalten. Tatsächlich gibt es erste Hinweise, dass optische Lichtpulse innerhalb von Femtosekunden zwischen diesen beiden elektronischen Zuständen schalten.

Diese Entdeckung aus der Grundlagenforschung ist daher für die Entwicklung miniaturisierter, ultra-schneller Schaltelemente und Sensoren von Bedeutung. Dabei ist die geschichtete Struktur von Tantaldisulfid und ähnlichen Verbindungen besonders attraktiv für technologische Anwendungen, da sie die Herstellung von Nanostrukturen aus ein oder zwei Ebenen sehr stark vereinfacht. Zusätzlich treten die elektronischen Ordnungen oft schon bei Raumtemperatur auf.

Es bleiben natürlich noch viele Fragen offen, insbesondere was die optisch getriebenen Schaltvorgänge betrifft. Die zukünftigen Arbeiten der Forscher werden sich daher genau auf diese Schaltprozesse konzentrieren, wobei modernste zeitaufgelöste Experimente zum Einsatz kommen werden. Man darf also weiterhin gespannt sein.

Originalpublikation:
„Orbital textures and charge density waves in transition metal dichalcogenides“, T. Ritschel, J. Trinckauf, K. Koepernik, B. Büchner, M. v. Zimmermann, H. Berger, Y. I. Joe, P. Abbamonte and J. Geck, Nature Physics (2015), doi:10.1038/nphys3267

Kontakt

Dr. Jochen Geck
IFW Dresden
j.geck@ifw-dresden.de
Tel.: (0351) 46 59 883

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Dr. Carola Langer
c.langer@ifw-dresden.de
Tel. (0351) 46 59 234

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n4/full/nphys3267.html
http://www.ifw-dresden.de/press-and-events/press-release/current-news/article/ne...

Dr. Carola Langer | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Mikroplastik in Meeren: Hochschule Niederrhein forscht an biologisch abbaubarer Sport-Kleidung
18.09.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Flexibler Leichtbau für individualisierte Produkte durch 3D-Druck und Faserverbundtechnologie
13.09.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften