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Topologische Isolatoren – Eine Klasse für sich

25.06.2019

Ein Physikkonkret der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) beleuchtet die Potenziale dieser neuen Materialklasse.

Quanteneffekte machen es möglich – im Kern isolierende Materialen können durch geschickte Anordnung (Topologie) an ihren Oberflächen und Grenzschichten zu Leitern werden, in denen sich Elektronen verlustfrei bewegen können. Das ist ein Meilenstein in der Forschung, denn es eröffnen sich damit enorme Möglichkeiten der Energieeinsparung bei IT-Hardware.


Fügt man einen gewöhnlichen und einen topologischen Isolator zusammen, kreuzen sich an den Kontaktflächen die Bandstrukturen; die Grenzschicht wird elektrisch leitend.

© Spektrum der Wissenschaft / Manon Bischoff


Physikkonkret Nr. 37 der Deutschen Physikalischen Gesellschaft DPG

Zugleich bietet die vollkommen neue Materialklasse große Potentiale für die künftige Quantentechnologie.

„Neben mikroelektronischen Bauelementen mit extrem geringen Verlusten erwartet die Wissenschaft die Entwicklung von neuen Materialien mit herausragenden Eigenschaften, z. B. für Anwendungen in der Quantentechnologie“, sagt Dieter Meschede, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG).

Topologische Isolatoren könnten damit die nächste Generation an elektronischen Geräten einläuten und haben demzufolge großes wirtschaftliches Potenzial. Sichtbares Zeichen für die Bedeutung dieser neuen Materialklasse war nicht zuletzt der Nobelpreis für Physik im Jahr 2016.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Deutschland sind bei der Forschung ganz vorn mit dabei. So konnte eine Arbeitsgruppe um Laurens Molenkamp von der Universität Würzburg vor gut zehn Jahren im Labor die Existenz topologischer Isolatoren nachweisen, wofür er vor zwei Jahren die höchste Auszeichnung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der experimentellen Physik erhielt – die Stern-Gerlach-Medaille. Seitdem wächst das Forschungsfeld dynamisch. Das neue Physikkonkret der DPG beleuchtet jetzt deren Potenziale.

Mit den Ausgaben von Physikkonkret bietet die Deutsche Physikalische Gesellschaft in kompakter und allgemeinverständlicher Form Fakten zu aktuellen wissenschaftlichen und wissenschaftspolitischen Fragen. Zugleich möchten sie allen Menschen die Faszination physikalischer Phänomene näher bringen und auf die Relevanz der Physik für Wirtschaft, Politik und Gesellschaft hinweisen. Unter www.physikkonkret.de stehen alle bisherigen Ausgaben zur Verfügung.

Die Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG), deren Tradition bis in das Jahr 1845 zurückreicht, ist die älteste nationale und mit mehr als 60.000 Mitgliedern auch größte physikalische Fachgesellschaft der Welt. Als gemeinnütziger Verein verfolgt sie keine wirtschaftlichen Interessen.

Die DPG fördert mit Tagungen, Veranstaltungen und Publikationen den Wissenstransfer innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft und möchte allen Neugierigen ein Fenster zur Physik öffnen. Besondere Schwerpunkte sind die Förderung des naturwissenschaftlichen Nachwuchses und der Chancengleichheit. Sitz der DPG ist Bad Honnef am Rhein. Hauptstadtrepräsentanz ist das Magnus-Haus Berlin.

Website: https://www.dpg-physik.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Mathias Kläui von der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/

sowie

Ronny Thomale von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg
https://www.physik.uni-wuerzburg.de/tp1/team/professoren/prof-dr-ronny-thomale/

Gerhard Samulat | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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