Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Durchbruch für die Spintronik

30.06.2017

Es ist ultradünn, am Rand elektrisch leitend und im Inneren hochgradig isolierend – und das auch bei Raumtemperatur: Physiker der Universität Würzburg haben ein neues Material entwickelt, das viel verspricht.

Die Materialklasse der topologischen Isolatoren steht derzeit im Mittelpunkt der internationalen Festkörperforschung. Diese Stoffe sind im Inneren elektrisch isolierend, weil die Elektronen stark an die Atome gebunden bleiben. An ihrer Oberfläche jedoch hat die Natur sie aufgrund von Quanteneffekten mit einer leitfähigen Hülle versehen.


Schematische Darstellung der leitfähigen Randkanäle an den Begrenzungen der Bismuten-Schicht. Die Randkanäle schützen die Spins gegen Streuung.

Abbildung: Maximilian Bauernfeind


Ansicht des Bismuten-Films in Rastertunnel-Mikroskopie. Man erkennt die Wabenstruktur des Materials (blau). Am Rand bildet sich ein leitfähiger Randkanal (weiß) aus

Abbildung: Felix Reis

Und mehr noch: Die eingebaute Kompassnadel des Elektrons, der „Spin“, dessen Ausrichtung sehr effizient Informationen übertragen kann, ist bei der Bewegung durch diese Oberflächenkanäle gegen Ablenkung geschützt. Mit diesen Eigenschaften könnten topologische Isolatoren einen alten Traum Wirklichkeit werden lassen: eine direkt auf dem Spin basierende Datenverarbeitung – die sogenannte Spintronik.

Bisherige Konzepte funktionieren nur im Kühlschrank

Bisher gab es jedoch ein großes Hindernis bei der technischen Nutzung solcher Oberflächenkanäle: „Mit zunehmender Temperatur eines topologischen Isolators werden alle Quanteneffekte ausgewaschen und damit auch die besonderen Eigenschaften der elektrisch leitenden Ränder“, erklärt Privatdozent Dr. Jörg Schäfer vom Lehrstuhl für Experimentelle Physik 4 der Universität Würzburg.

Aus diesem Grund müssen alle bisher bekannten topologischen Isolatoren auf sehr tiefe Temperaturen – meist bis zu minus 270 Grad Celsius – gekühlt werden, um die Quanteneigenschaften der Randkanäle studieren zu können. „Mögliche Anwendungen, beispielsweise für ultraschnelle Elektronik oder in einem Quantencomputer, sind unter solchen Bedingungen natürlich nicht besonders praktikabel“, so der Physiker.

Ein Team aus Würzburger Physikern hat nun ein völlig neuartiges Konzept vorgestellt, um dieses Problem elegant zu umgehen. Daran beteiligt waren die Experimentalphysiker aus dem Lehrstuhl für Experimentelle Physik IV, Professor Ralph Claessen und Privatdozent Dr. Jörg Schäfer, sowie die Theoretiker vom Lehrstuhl für Theoretische Physik I, Professor Ronny Thomale, Professor Werner Hanke und Dr. Gang Li. Die Ergebnisse ihrer Arbeit haben die Wissenschaftler jetzt in der aktuellen Ausgabe von Science veröffentlicht.

Gezieltes Materialdesign

Eine spezielle Materialkombination ist die Basis des Würzburger Durchbruchs: eine ultradünne Schicht aus einer einzigen Lage von Bismut-Atomen, die auf einer Unterlage aus Siliziumkarbid aufgebracht wird.

Was macht diese Kombination so besonders? „Die kristalline Struktur des Siliziumkarbid-Trägers führt bei der Abscheidung des Bismut-Films zu einer wabenförmigen Anordnung der Bismut-Atome –sehr ähnlich der Struktur des Wundermaterials Graphen, das aus Kohlenstoffatomen aufgebaut ist“, erklärt Professor Ralph Claessen. Wegen dieser Analogie wird der ultradünne Film als „Bismuten“ bezeichnet.

Allerdings gibt es einen entscheidenden Unterschied zum Graphen: „Bismuten bildet eine chemische Bindung an die Unterlage aus“, erläutert Professor Ronny Thomale. Diese spiele allerdings eine zentrale Rolle in dem neuen Konzept, damit das Material die gewünschten elektronischen Eigenschaften besitzt. Eine computergestützte Modellierung zeige dies sehr deutlich: „Während herkömmliches Bismut ein elektrisch leitfähiges Metall ist, bleibt die wabenartige Monolage ein ausgeprägter Isolator, und das selbst bei Raumtemperatur und weit darüber“, so der Physiker. Nur durch die ausgeklügelte Kombination der schweren Bismut-Atome mit dem ebenfalls isolierenden Siliziumkarbid-Substrat gelinge es, diese so dringend erwünschte Ausgangssituation künstlich zu erzeugen.

Elektronenautobahn in Randlage

Die elektronischen Leitungspfade kommen am Rand eines Bismuten-Stückchens ins Spiel. Dort befinden sich die metallischen Randkanäle, die bei der Datenverarbeitung der Zukunft genutzt werden sollen. Das haben nicht nur die theoretischen Überlegungen des Würzburger Forschungsteams ergeben; mithilfe mikroskopischer Techniken konnten die Physiker den Zustand auch experimentell eindeutig nachweisen.

Für die Nutzbarkeit der Randkanäle in elektronischen Bauelementen ist es allerdings wesentlich, dass es keinen Kurzschluss durch das Innere des topologischen Materials oder durch das Substrat gibt. „In bisherigen topologischen Isolatoren musste dies mithilfe der extremen Kühlung sichergestellt werden“, erklärt Jörg Schäfer. Mit dem neuen Bismuten-Konzept sei dieser Aufwand jedoch nicht mehr erforderlich: Wegen des ausgeprägten Isolatorverhaltens der Schicht und der Unterlage seien keine störenden Kurzschlüsse mehr möglich.

Nach Ansicht der Würzburger Wissenschaftler macht insbesondere dieser Sprung hin zur Funktionsfähigkeit bei Raumtemperatur die Entdeckung für potentielle Anwendungen unter realistischen Bedingungen interessant. „Derartige Leitungskanäle sind ‚topologisch geschützt‘, das heißt, mit ihnen kann man nahezu verlustfrei Informationen übertragen“, erklärt Ralph Claessen. Da auf diese Weise eine Datenübermittlung mit wenigen Elektronenspins – die Spintronik – vorstellbar wird, erhofft sich das Würzburger Team große Fortschritte für eine effizientere Informationstechnologie.

Ergebnis kooperativer Forschung

Dieser Durchbruch im Forschungsgebiet der Topologischen Physik ist ein direktes Ergebnis der engen Zusammenarbeit der Würzburger Physiker im Rahmen des DFG-finanzierten Sonderforschungsbereichs SFB1170 "ToCoTronics" (Topological and Correlated Electronics at Surfaces and Interfaces).

Bismuthene on a SiC Substrate: A Candidate for a High-Temperature Quantum Spin Hall Material. F. Reis, G. Li, L. Dudy, M. Bauernfeind, S. Glass, W. Hanke, R. Thomale, J. Schäfer, and R. Claessen. Science, First Release online publication (29. Juni 2017), doi: 10.1126/science.aai8142

Kontakt

Prof. Dr. Ralph Claessen, Lehrstuhl für Experimentelle Physik IV
T: +49 931 31-85732, claessen@physik.uni-wuerzburg.de

PD Dr. Jörg Schäfer, Lehrstuhl für Experimentelle Physik IV
T: +49 931 31-83483, joerg.schaefer@physik.uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Ronny Thomale, Lehrstuhl für Theoretische Physik I
T: +49 931 31-86225, ronny.thomale@physik.uni-wuerzburg.de

Weitere Informationen:

https://www.physik.uni-wuerzburg.de/sfb1170/startseite/ Homepage des Sonderforschungsbereichs

Gunnar Bartsch | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten
23.01.2018 | Universität Basel

nachricht Reisetauglicher Laser
22.01.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

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: Optisches Nanoskop ermöglicht Abbildung von Quantenpunkten

Physiker haben eine lichtmikroskopische Technik entwickelt, mit der sich Atome auf der Nanoskala abbilden lassen. Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere, Quantenpunkte in einem Halbleiter-Chip bildlich darzustellen. Dies berichten die Wissenschaftler des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in «Nature Photonics».

Mikroskope machen Strukturen sichtbar, die dem menschlichen Auge sonst verborgen blieben. Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers...

Im Focus: Optical Nanoscope Allows Imaging of Quantum Dots

Physicists have developed a technique based on optical microscopy that can be used to create images of atoms on the nanoscale. In particular, the new method allows the imaging of quantum dots in a semiconductor chip. Together with colleagues from the University of Bochum, scientists from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute reported the findings in the journal Nature Photonics.

Microscopes allow us to see structures that are otherwise invisible to the human eye. However, conventional optical microscopes cannot be used to image...

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

23.01.2018 | Veranstaltungen

Gemeinsam innovativ werden

23.01.2018 | Veranstaltungen

Leichtbau zu Ende gedacht – Herausforderung Recycling

23.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Lebensrettende Mikrobläschen

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

3D-Druck von Metallen: Neue Legierung ermöglicht Druck von sicheren Stahl-Produkten

23.01.2018 | Maschinenbau

CHP1-Mutation verursacht zerebelläre Ataxie

23.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics