Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Science: Neuartiger Quanteneffekt direkt beobachtet und erklärt

13.02.2009
Forscherteam gelingt Blick auf Elektronen im Quanten-Spin-Hall-Zustand / Material geeignet für Spinquellen und Quantencomputing in der Informationsverarbeitung

Einem internationalen Forscherteam ist ein tiefer Einblick in ein ungewöhnliches Phänomen gelungen, wie die Fachzeitschrift „Science“ in ihrer aktuellen Ausgabe berichtet.

Die Forscher maßen erstmals direkt den Spin der Elektronen in einem Material, das den 2004 theoretisch vorhergesagten und erst 2007 beobachteten Quanten-Spin-Hall-Effekt aufweist. Verblüffend: Die Spinströme fließen ohne äußeren Anreiz aufgrund der inneren Struktur des Materials. Der Informationsfluss erfolgt verlustfrei, selbst bei leichten Verunreinigungen. Damit öffnet sich ein Weg zum fehlertoleranten Quantencomputer oder einer Quelle für Spinströme.

Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen und kommt grundsätzlich in zwei Varianten vor. Deshalb eignet er sich als binärer Informationsträger. In Festplatten etwa werden Spins bereits zur Speicherung von digitalen Informationen genutzt.

2007 beobachteten Physiker aus Deutschland und den USA ein neues Phänomen, das es möglich machen könnte, die Information zukünftiger Speichermedien nahezu verlustfrei zu transportieren und elektrisch zu manipulieren, den sogenannten Quanten-Spin-Hall-Effekt. Die Entdeckung wurde in der Fachzeitschrift „Science“ als eine der zehn wichtigsten wissenschaftlichen Durchbrüche in 2007 gefeiert.

Ein internationales Forscherteam, darunter Dr. Gustav Bihlmayer vom Forschungszentrum Jülich, Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, veröffentlicht in dieser Woche im Fachmagazin „Science“ die erste Studie, in der ein direkter Blick auf die Spins der fließenden Teilchen gelang. Ein Nachweis des Quanten-Spin-Hall-Effektes war bisher nur indirekt möglich.

„Wir konnten erstmals direkt zeigen, dass im Randbereich einer Legierung aus Wismut und Antimon zwei gegeneinander laufende Spinströme fließen. Eine Energiezufuhr von außen ist dafür nicht notwendig, Verluste können nicht auftreten“, erläutert Dr. Gustav Bihlmayer vom Jülicher Institut für Festkörperforschung. Ursache dieses verblüffenden Phänomens sind Wechselwirkungen im Inneren des Materials.

Besonders spannend ist für Materialwissenschaftler: Auch Unregelmäßigkeiten im Material beeinträchtigen die Spinströme nicht.

„Damit bieten solche sogenannten topologischen Materialien Spinströme an, die elektrisch manipulierbar sind und so als Quelle für Spins dienen oder einen Weg für einen fehler-toleranten Quantencomputer weisen“, so Bihlmayer. „Mit unserem Verfahren können in Zukunft gezielt Materialien auf diese Eignung hin untersucht werden.“

In der vorliegenden Untersuchung werden theoretische Berechnungen und Photoelektronenspektroskopie genutzt. Durch die Photonen eines Synchrotron-Strahls werden Elektronen aus der Materialoberfläche emittiert. Die Energie- und die Impulsverteilung sowie der Spin der Teilchen können zu konkreten Aussagen über das Auftreten des Quanten-Spin-Hall-Effekts genutzt werden. Frühere Methoden basierten auf Messungen der Leitfähigkeit in den Materialien bei variabler Spannung.

Spins für die Datenverarbeitung: Spins sind ein heißes Thema in der Forschung. Was Nicht-Naturwissenschaftlern oft nur von der „Kernspintomographie“ ein Begriff ist, bringt Physiker und Nanoelektroniker regelrecht zum Träumen. Sie erhoffen sich von der sogenannten Spin-Elektronik, bei der nicht nur die elektrische Ladung, sondern auch die Eigenrotation (der Spin) von Elektronen und Atomkernen genutzt wird, neuartige Konzepte zur Verarbeitung und Kodierung von Informationen in der Datenverarbeitung. Schnellere, kleinere und energiesparende Rechner könnten dadurch Wirklichkeit werden, aber auch völlig neue Bauteile, die gleichzeitig mehrere Funktionen in sich vereinigen, wie Speicherung, Logik und Kommunikation. Eine prominente Idee ist der Quantencomputer. Grundlagenforscher suchen für spin-elektronische Konzepte unter Hochdruck nach neuen Materialien und Phänomenen, die es erlauben, die Spinausrichtung sowie den Spinfluss zu kontrollieren.

Original-Veröffentlichung:

Science, 13 February 2009, Vol 323, Issue 5916, Observation of unconventional quantum spin textures in topologically ordered materials, D. Hsieh, Y. Xia, L. Wray, D. Qian, A. Pal, J.H. Dil, F. Meier, J. Osterwalder, G. Bihlmayer, C.L. Kane, Y.S. Hor, R.J. Cava, M.Z. Hasan

Weitere Informationen:

Forschungszentrum Jülich: www.fz-juelich.de Institut für Festkörperforschung (IFF-1): www.fz-juelich.de/iff/d_th1

Pressekontakt:

Erhard Lachmann, Tel.: 02461 61-1841, E-Mail: e.lachmann@fz-juelich.de

Erhard Lachmann | Forschungszentrum Jülich GmbH
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Die Sonne: Motor des Erdklimas
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

nachricht Entfesselte Magnetkraft
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

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: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie