Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Autobahn für Elektronen

24.01.2012
Ein Schritt zur Spintronik: An der Oberfläche von topologischen Isolatoren mit Germanium, Zinn oder Blei fließt Strom sehr geordnet

Wenn Strom durch gewöhnliche Metalle fließt, herrscht normalerweise ein ziemliches Elektronen-Chaos. Vor wenigen Jahren haben Forscher entdeckt, dass es Materialien gibt, in denen sich die Elektronen mit einer erstaunlichen Ordnung bewegen.


Bilder topologischer Oberflächenzustände: In Photoemissionsspektren ist zu erkennen, wie sich die Zustände mit der Bindungsenergie der Elektronen verändern. Die weißen Linien in den eingeklinkten Bilder geben die theoretisch berechneten Kurven wieder. © Paul-Scherrer-Institut/MPI für Mikrostrukturphysik

Diese ungewöhnlichen Eigenschaften zeigen sie jedoch nur in einer hauchdünnen Schicht an der Oberfläche, ansonsten sind diese toplogische Isolatoren genannte Stoffe elektrisch nicht leitend. Nun hat ein internationales Team von Wissenschaftlern unter Beteiligung von Physikern des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle eine Methode entwickelt, wie sich topologische Isolatoren mit ganz bestimmten Merkmalen herstellen lassen. Mit solchen Materialien könnten dazu dienen, künftig leistungsfähigere Computer zu konstruieren.

Entweder fließt in einem Material Strom – oder nicht. Ein Stoff, dessen Inneres nicht leitfähig ist, an dessen Oberfläche aber Elektronen fließen, ist daher etwas sehr Ungewöhnliches. Die Kombination eines Holzstücks, das mit einer Schicht Silber überzogen ist, würde genau diesen Effekt zeigen. Vor wenigen Jahren haben Physiker entdeckt, dass es diese ungewöhnliche Kombination zweier Eigenschaften tatsächlich in einem Material gibt. Wobei die Ursache für die ungewöhnliche Leitfähigkeit an der Oberfläche im nicht leitfähigen Inneren zu finden ist. Stoffe dieser Art nennen Physiker „topologische Isolatoren“. Was die Wissenschaftler daran besonders interessiert, sind die erstaunlichen Eigenschaften der Elektronen in der hauchdünnen Randschicht.

Erstmals stellten Physiker solche Randströme an sehr aufwändig zu produzierenden Graphitschichten fest. Inzwischen ist bekannt, dass auch einfacher herstellbare Metallverbindungen mit Wismut oder Antimon dieses ungewöhnliche Phänomen zeigen. Einem internationalen Team von Physikern des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle, des Physikzentrums in San Sebastian sowie der Universitäten in Tomsk, Zürich, Baku und Hamburg ist es nun erstmals gelungen, topologische Isolatoren mit ganz gezielten Merkmalen herzustellen.

Eine Spinordnung reguliert den Elektronenfluss

Normalerweise herrscht in einem elektrischen Strom ein gewisses Chaos. Wie die Elektroautos eines Autoscooters auf einem Volksfest aneinander und gegen die Bande rempeln, stoßen auch die Strom transportierenden Elektronen zusammen und gegen Atome. Sie verlieren dabei Energie und ändern ihre Richtung. In der dünnen stromführenden Randschicht eines topologischen Isolators bewegen sich die Elektronen dagegen im Idealfall wie Fahrzeuge auf einer Autobahn, auf der die Geschwindigkeit begrenzt und ein Mindestabstand vorgegeben ist. Die Elektronen fließen gleichmäßig dahin – ohne Zusammenstöße und Energieverluste. Dies ist möglich, weil den Randelektronen eine ganz bestimmte Ordnung aufgezwungen wird, genauer gesagt eine Spinordnung.

Man kann sich vorstellen, dass sich Elektronen wie kleine Kreisel ständig um sich selbst drehen, entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn. Dadurch entsteht ein winziger Magnet, dessen magnetischer Nordpol entweder nach oben oder nach unten zeigt. Physiker sprechen vom Spin des Elektrons, der entweder nach „oben“ oder nach „unten“ gerichtet sein kann. In einem gewöhnlichen elektrischen Strom spielt der Spin keine Rolle, weil die Achsen der Elektronen-Kreisel in alle möglichen Richtungen zeigen und sich die beiden Drehrichtungen völlig zufällig verteilen.

Im idealen Randstrom eines topologischen Isolators dagegen nicht: Die Spins der Elektronen sind dort alle gleich ausgerichtet; ihre Achsen stehen senkrecht auf der Bewegungsrichtung, und die Drehrichtung, also der Spin, ist mit der Bewegungsrichtung gekoppelt. Das bedeutet, dass Elektronen mit Spin nach „oben“ nur in die eine Richtung fließen, Elektronen mit Spin nach „unten“ nur in die entgegengesetzte. Bei den Antimon- und Wismut-Verbindungen (Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3), auf die sich die Forscher derzeit vor allem konzentrieren, kommt es jedoch vor, dass diese ideale Ordnung gestört ist.

Der Spin als Mittel der Datenverarbeitung

Die Physiker Arthur Ernst und Jürgen Henk vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukurphysik sowie Kollegen des Physikzentrums in San Sebastian und der Universität Tomsk haben nun in aufwändigen numerischen Rechnungen detailliert vorhergesagt, dass sich diese ideale Ordnung einstellt, wenn man den zweielementigen Verbindungen ein drittes Element zufügt, und zwar aus der VI. Gruppe des Periodensystems (Germanium, Zinn, Blei). Die anderen beteiligten Forscher haben die theoretischen Ergebnisse experimentell bestätigt. Zukünftig können mit dieser Methode topologische Isolatoren mit den gewünschten Merkmalen hergestellt werden.

Für Anwendungen sind die erstaunlichen Eigenschaften dieser Randelektronen äußerst interessant: Die Spintronik, ein aufstrebendes Forschungsgebiet der Physik, hat zum Ziel, neben der elektrischen Ladung eines Tages auch den Spin der Elektronen für die elektronische Informationsverarbeitung zu nutzen. Das macht topologische Isolatoren zu potentiellen Materialien der Computer von morgen. Auf jeden Fall ist es der Grund dafür, dass sie heute eines der „heißesten“ Forschungsgebiete der Physik sind.

Ansprechpartner

Dr. Ernst Arthur
Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle/Saale
Telefon: +49 345 5582-666
Fax: +49 345 5511-223
E-Mail: aernst@mpi-halle.de
PD Dr. Jürgen Henk
Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle/Saale
Telefon: +49 345 558-2970
E-Mail: henk@mpi-halle.mpg.de
Originalveröffentlichung
Sergey V. Eremeev, Gabriel Landolt, Tatiana V. Menshchikova, Bartosz Slomski, Yury M. Koroteev, Ziya S. Aliev, Mahammad B. Babanly, Jürgen Henk, Arthur Ernst, Luc Patthey, Andreas Eich, Alexander Ako Khajetoorians, Julian Hagemeister, Oswald Pietzsch, Jens Wiebe, Roland Wiesendanger, Pedro M. Echenique, Stepan S. Tsirkin, Imamaddin R. Amiraslanov, J. Hugo Dil, & Evgueni V. Chulkov
Atom-specific spin mapping and buried topological states in a homological series of topological insulators

Nature communications, 24. Januar 2012; DOI: 10.1038/ncomms1638

Dr. Ernst Arthur | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/4996060/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise