Quantenphysik – oberflächlich betrachtet

Weltweit werden in der Physik Festkörper einer neuen Materialklasse erforscht, die als topologische Isolatoren bezeichnet werden. Während das Innere eines topologischen Isolators isolierend ist, befinden sich auf dessen Oberfläche leitende Elektronen mit außergewöhnlichen Eigenschaften.

Diese Elektronen verhalten sich in vielerlei Hinsicht wie ultrarelativistische Teilchen, d.h. wie Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Das daraus resultierende bemerkenswerte Verhalten der Elektronen berührt nicht nur fundamentale Aspekte der Physik, die im Regensburger Sonderforschungsbereich „Emergent Relativistic Effects in Condensed Matter“ erforscht werden, sondern birgt Potential für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise in der Elektronik und im Bereich des Quantencomputing.

Eine Gruppe von theoretischen Physikern der Universität Regensburg um Prof. Dr. Klaus Richter befasste sich nun mit den besonderen Leitfähigkeitseigenschaften von Nanodrähten mit konischer Geometrie, die aus topologischen Isolatoren bestehen.

Ihre Ergebnisse wurden mit dem Prädikat Editors‘ Suggestion versehen im Journal Physical Review Letters veröffentlicht. Unter dem Einfluss von Magnetfeldern zeigen derartige kegelförmige Nanodrähte ihr volles Potential:

In Magnetfeldern senkrecht zur Drahtachse leiten sie den Strom entlang der Oberfläche verlustfrei, während sie sich in starken koaxialen Magnetfeldern wie künstliche Atome verhalten, in denen die Elektronen gebunden sind und nur bestimmte diskrete Energieniveaus einnehmen können.

Letzteres führt zu einer durch Quanteneffekte bestimmten Leitfähigkeit, die – im Widerspruch zum Ohmschen Gesetz – bei bestimmten charakteristischen Energien maximal wird, wie in untenstehender Abbildung gezeigt.

Konische Nanodrähte bilden den Grundbaustein für komplexere gekrümmte Drähte, an denen die Regensburger Wissenschaftler aktuell forschen.

Durch ihre enorm vielfältigen Leitfähigkeitseigenschaften könnten Nanodrähte aus topologischen Isolatoren einen wichtigen Beitrag zur Forschung in der Grundlagenphysik liefern und zu zukünftigen technologischen Anwendungen führen.

Prof. Dr. Klaus Richter
Institut für Theoretische Physik
Universität Regensburg
Telefon: 0941 943-2029
E-Mail: klaus.richter@ur.de

Raphael Kozlovsky, Ansgar Graf, Denis Kochan, Klaus Richter, and Cosimo Gorini, „Magnetoconductance, Quantum Hall Effect, and Coulomb Blockade in Topological Insulator Nanocones”, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.126804

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.126804