Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Topologische Isolatoren - Neue Hoffnungsträger für die Computertechnologie

28.06.2012
Streit um Topologische Isolatoren: Wissenschaftler weisen die Stabilität ihrer Oberflächenzustände nach. Damit erheben sie die neue Materialklasse zum Hoffnungsträger der Computertechnologie.

Topologische Isolatoren sind eine neue, vor wenigen Jahren entdeckte Materialklasse. Ihre herausragende Eigenschaft besteht darin, im Inneren elektrisch isolierend zu sein, an der Oberfläche bilden sie jedoch leitende Zustände aus. Das Besondere an topologischen Isolatoren ist die extreme Stabilität ihrer Oberflächenzustände.


Spektren einer Drittel-Atomlage Eisen auf Bismutselenid. Die sich kreuzenden Linien zeigen den Oberflächenzustand. Oberer und unterer Teil der Abbildung sind symmetrisch zueinander aufgrund der Zeitumkehrsymmetrie, die auch den Kreuzungspunkt schützt.
Abbildung: HZB/Rader

Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben nun in Bismutselenid, dem derzeit bekanntesten topologischen Isolator, den Oberflächenzustand auch noch nach Beschichten der Oberfläche mit Eisen beobachtet. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass die Stabilität an Kontaktstellen zu magnetischen Materialien verloren geht. Eine solche Grenzfläche aus topologischem Isolator und Ferromagnet ist für die Entwicklung neuer Speichermedien in der Computerindustrie von großem Interesse. Die Erkenntnis hat Markus Scholz aus der Abteilung Magnetisierungsdynamik des HZB im Rahmen seiner Doktorarbeit gewonnen und jetzt im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht (DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.256810).

Topologische Isolatoren verdanken die Stabilität ihrer Oberflächenzustände einem grundlegenden physikalischen Prinzip, der Zeitumkehrsymmetrie. Danach gelten physikalische Gesetze in gleicher Weise, auch wenn die Zeit rückwärts laufen würde. Auf die Bewegung von Elektronen in einem Festkörper angewandt heißt das, dass die Naturgesetze zum Tragen kommen, egal ob sich ein Elektron von links nach rechts oder – nach Zeitumkehr – von rechts nach links bewegt. Dabei gilt: Wenn ein Elektron in eine bestimmte Richtung läuft, zum Beispiel nach links, muss ihm ein Zustand mit nach oben gerichtetem Spin zur Verfügung stehen. Ein entgegengesetzt laufendes Elektron benötigt dann einen Zustand mit nach unten gerichtetem Spin.

In den topologischen Isolatoren ist diese Kopplung von Bewegungsrichtung und Spin so stark, dass die Elektronen an der Oberfläche stets gezwungen sind, zur Leitung von elektrischem Strom zur Verfügung zu stehen. Die leitfähigen Oberflächenzustände sind dadurch geschützt.

Anders verhält es sich in ferromagnetischen Materialien: Dort ist die Spinrichtung durch magnetischen Nord- und Südpol festgelegt. Die Zeitumkehrsymmetrie ist hier gebrochen. Bringt man beide Materialien – Ferromagneten und topologischen Isolator – in Kontakt, so sollte sich die Symmetriebrechung des Ferromagneten auf den topologischen Isolator übertragen. Er müsste, so die bisherige Annahme, auch an seiner Oberfläche isolierend werden. Das HZB-Team um Markus Scholz hat jetzt das Gegenteil nachgewiesen.

„Nach der Entdeckung der topologischen Isolatoren herrschte zunächst große Euphorie“, sagt Markus Scholz: „Die Materialklasse war der große Hoffnungsträger in der Computertechnologie. Dann setzte sich die Annahme durch, dass ein topologisch geschützter Zustand – wie der Oberflächenzustand von Bismutselenid – extrem empfindlich auf magnetische Materialien reagieren soll – und das war eine große Enttäuschung.“ Denn für Anwendungen in Computerbauteilen, wie neuen Speichermedien, ist es von enormer Bedeutung, dass der Oberflächenzustand auch in unmittelbarer Nähe eines magnetischen Materials stabil bleibt.

Scholz hat nun die Ehre der neuen Materialien gerettet: Dafür stellte der Wissenschaftler zunächst frische, saubere Bruchkanten des Kristalls Bismutselenid her – mit Hilfe von Klebeband, wie Scholz beschreibt: „Bismutselenid ist aus struktureller Sicht eher zweidimensional. Das heißt, auf fünf Atomlagen, die sehr kräftig gebunden sind, folgt eine mit schwacher Bindung. Dort reißt der Kristall beim Abziehen des Klebebands ab.“ Die frische Bruchkante hat das Team dann hauchdünn mit Eisen überzogen. Scholz: „So etwas ganz sauber und nach höchsten Standards zu machen, damit hat unsere Arbeitsgruppe sehr große Erfahrung.“

Anschließend untersuchten die Wissenschaftler die beschichtete Kristalloberfläche mit einer extrem oberflächenempfindlichen Messmethode, der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES). „Damit können wir zwar nur ein bis zwei Atomlagen tief in die Probe schauen – sehen aber extrem genau, was dort gerade passiert“, so Dr. Jaime Sánchez-Barriga, Koautor der Studie. Das Ergebnis: Bismutselenid zeigt seine topologischen Oberflächenzustände auch nach der Beschichtung mit Eisen. „Damit sind neue Forschungsanstrengungen gerechtfertigt, Bismutselenid für Anwendungen in der Computerforschung weiter zu entwickeln“, sagt Sánchez-Barriga: „Denkbar sind beispielsweise magnetische Transistoren.“

Die HZB-Forscher werden Gelegenheit haben, diese Forschung weiter voranzutreiben. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat gerade bekannt gegeben, dass sie ein Schwerpunktprogramm zu topologischen Isolatoren einrichten wird, in dem ungefähr fünfundzwanzig bis dreißig Forschergruppen gefördert werden sollen. Koordiniert wird dieses Programm von Dr. Oliver Rader, der auch die Doktorarbeit von Markus Scholz betreut hat.

Hintergrund:
Topologische Isolatoren wurden im Jahr 2005 postuliert und werden inzwischen in vielen Experimenten beobachtet. In der Mathematik beschäftigt sich die Topologie mit Größen, die unter kontinuierlicher Veränderung konstant bleiben. Ein Beispiel ist ein Knoten, den man an einem Seil verschieben, aber nicht lösen kann, zumindest sofern die Enden fest sind. Seile mit und ohne Knoten bezeichnet man dann als topologisch verschieden. Auch Elektronen können in bestimmten Fällen solche topologischen Eigenschaften haben. Die 2005 entdeckte feste Kopplung von Spin und Bewegungsrichtung ist ein Beispiel für eine solche Verknotung. Ob ein magnetisches Material in der Lage ist, diese Verknotung zu lösen, das ist Gegenstand der aktuellen Untersuchung.
Kontakt:
Markus Scholz
Abteilung Magnetisierungsdynamik
Tel.: +49 (0)30-8062-12950
markus.scholz@helmholtz-berlin.de
Priv.-Doz. Dr. Oliver Rader
Abteilung Magnetisierungsdynamik
Tel.: +49 (0)30-8062-12950
rader@helmholtz-berlin.de
Pressestelle:
Hannes Schlender
Abteilung Kommunikation
Tel.: +49 30 8062-42414
Fax: +49 30 8062-42998
hannes.schlender@helmholtz-berlin.de

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i25/e256810

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen
16.11.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Emulsionen masschneidern
15.11.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kalikokrebse: Erste Fachtagung zu hochinvasiver Tierart

16.11.2018 | Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

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

Mikroplastik in Kosmetik

16.11.2018 | Studien Analysen

Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen

16.11.2018 | Materialwissenschaften

Anomale Kristalle: ein Schlüssel zu atomaren Strukturen von Schmelzen im Erdinneren

16.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

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