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Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

15.10.2019

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber auch bei der Entwicklung von Quantencomputern. Ihre ultradünne Oberfläche kann Strom fast widerstandslos leiten, wodurch weniger Wärme entsteht als bei herkömmlichen Materialien. Das macht sie für elektronische Bauteile besonders interessant.


Die Goldspitze über dem topologischen Isolator erfährt Energieverluste nur bei diskreten, quantisierten Energien – dies aufgrund von Bildladungszuständen, die sich über der Isolatoroberfläche bilden.

Bild: Universität Basel, Departement Physik

Kommt hinzu: Bei topologischen Isolatoren kann die elektronische Reibung, also die durch Elektronen vermittelte Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme, reduziert und gesteuert werden.

Das konnten Forschende der Universität Basel, des Swiss Nanoscience Institute (SNI) und der Technischen Universität Istanbul nun im Experiment nachweisen und zeigen, wie sich der Übergang von Energie in Wärme durch Reibung genau verhält – ein Prozess, den man als Dissipation bezeichnet.

Mit einem Pendel Reibung messen

Das Team um Professor Ernst Meyer vom Departement Physik der Universität Basel hat untersucht, wie sich Reibung an der Oberfläche eines topologischen Isolators aus Bismut-Tellurid auswirkt. Die Wissenschaftler verwendeten dazu ein Rasterkraftmikroskop im Pendelmodus.

Dabei schwingt die leitende Mikroskopspitze aus Gold knapp über der zweidimensionalen Oberfläche des topologischen Isolators hin und her. Wird eine Spannung an die Mikroskopspitze angelegt, induziert die Bewegung des Pendels einen kleinen elektrischen Strom auf der Oberfläche.

Bei herkömmlichen Materialien wird ein Teil dieser elektrischen Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt. Bei der leitenden Oberfläche des topologischen Isolators sieht das Ergebnis ganz anders aus: Der Energieverlust durch die Umwandlung in Wärme ist stark reduziert.

«Wir sehen an unseren Messungen ganz deutlich, dass es bei bestimmten Spannungen praktisch keine Wärmebildung durch elektronische Reibung gibt», erklärt Dr. Dilek Yildiz, die diese Arbeiten im Rahmen der SNI-Doktorandenschule durchgeführt hat.

Neuartiger Mechanismus

Gleichzeitig konnten die Forschenden erstmals einen neuartigen, quantenmechanischen Dissipationsmechanismus beobachten, der nur bei bestimmten Spannungen erfolgt. Bei diesen Bedingungen wandern die Elektronen von der Spitze über einen Zwischenzustand ins Material – ähnlich wie beim Tunneleffekt in Rastertunnelmikroskopen.

Über die Regulierung der Spannung konnten die Wissenschaftler die Dissipation beeinflussen. «Die Messungen untermauern das grosse Potenzial topologischer Isolatoren, da sich die elektronische Reibung gezielt steuern lässt», ergänzt Ernst Meyer.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Ernst Meyer, Universität Basel, Departement Physik, +41 61 207 37 24, E-Mail: ernst.meyer@unibas.ch

Originalpublikation:

Dilek Yildiz, Marcin Kisiel, Urs Gysin, Oguzhan Gürlü, Ernst Meyer
Mechanical dissipation via image potential states on a topological insulator surface
Nature Materials (2019), doi: 10.1038/s41563-019-0492-3
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0492-3

Reto Caluori | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch

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