Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Unerwartete Sprünge in der Welt der Kontinuität

21.05.2015

Die Eigenschaften topologischer Isolatoren sind extrem schwer zu fassen. Das macht die Suche nach neuen Materialklassen schwierig. Jetzt hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Effekt in der Theorie vorhergesagt, der die Suche im Experiment erleichtern könnte.

Ob ein bestimmtes Material magnetisch ist oder Strom leitet, lässt sich problemlos feststellen. Herauszufinden, ob es sich um einen topologischen Isolator handelt, erfordert hingegen einen sehr viel höheren Aufwand. Eine aus Sicht von Physikern unbefriedigende Situation. Schließlich sind topologische Isolatoren heiße Kandidaten, wenn es darum geht, neue Bausteine für extrem leistungsfähige Computer zu entwickeln.


Topologische Isolatoren zeigen verblüffende Eigenschaften: Im Inneren leiten sie Strom so gut wie gar nicht, an der Oberfläche jedoch sehr gut. Das macht sie zu Kandidaten für die „Spintronik".

Grafik: Adriano Amaricci/SISSA

Verblüffende Eigenschaften

Topologische Isolatoren zeichnen sich durch die verblüffende Eigenschaft aus, dass sie in ihrem Inneren Strom so gut wie nicht leiten – also wie ein Isolator funktionieren. An ihrer Oberfläche fließt Strom allerdings unter bestimmten Umständen hervorragend. Wenn es gelingt, diese Eigenschaft technisch nutzbar zu machen, könnte das zum Anstoß für eine ganz neue Form der Elektronik werden: der Spintronik – und damit der Entwicklung von Quantencomputern, die exponentiell schneller sein könnten als derzeit übliche Rechner.

„Topologische Isolatoren sind allerdings schwer zu erkennen, weil wir es hier nicht mit einer konventionellen Ordnung mit langer Reichweite zu tun haben, wie beispielsweise im Fall von Ferromagneten“, sagt Professor Giorgio Sangiovanni, Professor für Theoretische Physik an der Universität Würzburg. Das macht die Suche nach neuen Materialien vergleichsweise kompliziert. Erleichtern kann diesen Prozess in Zukunft eine gemeinsame Entwicklung von Physikern der Universitäten in Würzburg, Innsbruck und Triest. In der aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters stellen die Wissenschaftler ihre Arbeit vor.

Die Rolle der Phasenübergänge

Phasenübergänge spielen in dieser Arbeit eine wichtige Rolle. Schließlich sind sie für das komplexe Verhalten topologischer Isolatoren mit verantwortlich. Wer sich an seinen Physikunterricht erinnern kann, weiß: Wenn beispielsweise Wasser gefriert oder Eis schmilzt, handelt es sich in der Sprache der Physik um eine Phasenänderung. Was dabei auf atomarer Ebene passiert, ist bekannt: Beim Übergang von Wasser zu Eis ordnen sich die Moleküle in einer regelmäßigen Struktur an; schmilzt das Eis, wird diese Ordnung zerstört. Um die Ordnung geht es auch bei einem anderen vergleichbaren Phänomen: dem Magnetismus. Kühlt man Eisen unter einen bestimmten Wert ab – die sogenannte Curie-Temperatur – wird das Material spontan magnetisch; oberhalb dieser Temperatur verliert es diese Eigenschaft wieder. Unterhalb der Curie-Temperatur ordnen sich die magnetischen Pole alle in der gleichen Richtung; oberhalb richten sie sich zufällig aus und heben sich damit in ihrer Wirkung gegenseitig auf.

Topologische Phasenübergänge hingegen verlaufen anders: „Charakteristisch für topologische Phasenübergänge ist eine Veränderung globaler Eigenschaften des jeweiligen Materials“, sagt Professor Björn Trauzettel, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik IV. Diese Übergänge sind kontinuierlich, das heißt: Die meisten beobachtbaren Größen verändern sich stetig, wenn man externe Parameter, beispielsweise Druck oder Temperatur, variiert. Sangiovanni und die an der Publikation beteiligten Wissenschaftler haben jetzt in ihrer Arbeit zum ersten Mal an einem mikroskopischen Modell einen topologischen Phasenübergang beschrieben, der nicht kontinuierlich verläuft – weg von einem konventionellen Isolator, hin zu einem topologischen.

Der Grund für diesen unkonventionellen sprungartigen topologischen Übergang ist bekannt: Verantwortlich dafür ist die Wechselwirkung zwischen Elektronen – ein Aspekt, der in der Standardtheorie der topologischen Isolatoren nicht berücksichtig ist. Weil diese Theorie allerdings bei vielen, bereits bekannten Klassen topologischer Isolatoren gut funktioniert, hat dieses Defizit bislang nicht gestört.

Das hat sich mittlerweile geändert: „Inzwischen suchen Wissenschaftler weltweit intensiv nach neuen topologischen Materialien, die beispielsweise nicht nur auf Halbleitern basieren“, erklärt Sangiovanni. In diesem Fall mache sich die Wechselwirkung zwischen Elektronen deutlich bemerkbar. Und in diesem Fall – das zeigt die jetzt vorgelegte Theorie – liefert die sogenannte Coulomb-Wechselwirkung „eindeutigere Signaturen des topologischen Übergangs“, wie der Physiker sagt. Somit lasse sich der Übergang experimentell einfacher erkennen und charakterisieren.

First-Order Character and Observable Signatures of Topological Quantum Phase Transitions. A. Amaricci, J. C. Budich, M. Capone, B. Trauzettel, and G. Sangiovanni. DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.185701

Topologische Isolatoren in Würzburg

Die Forschung an topologischen Isolatoren an der Universität Würzburg hat Tradition. Professor Laurens Molenkamp, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik III war der weltweit erste Forscher, dem die experimentelle Realisierung von topologischen Isolatoren gelang. Im Jahr 2007 konnte er sie zum ersten Mal in seinem Labor an der Universität Würzburg herstellen.

Außerdem soll in Würzburg in absehbarer Zeit eine Forschungsaktivität starten, an der sowohl Vertreter der experimentellen als auch der theoretischen Physik beteiligt sein werden. Koordiniert wird die Gruppe von den Würzburger Professoren Ralph Claessen, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik IV, und Björn Trauzettel, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik IV.

Kontakt

Prof. Dr. Giorgio Sangiovanni, T: (0931) 31-89100, E-Mail: sangiovanni@physik.uni-wuerzburg.de
Prof. Dr. Björn Trauzettel, T: (0931) 31-83638, E-Mail: trauzettel@physik.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie