Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Magnetisches Tuning auf der Nanoskala
11.11.2019 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

nachricht Die Selbstorganisation weicher Materie im Detail verstehen
11.11.2019 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: A new quantum data classification protocol brings us nearer to a future 'quantum internet'

The algorithm represents a first step in the automated learning of quantum information networks

Quantum-based communication and computation technologies promise unprecedented applications, such as unconditionally secure communications, ultra-precise...

Im Focus: REANIMA - für ein neues Paradigma der Herzregeneration

Endogene Mechanismen der Geweberegeneration sind ein innovativer Forschungsansatz, um Herzmuskelschäden zu begegnen. Ihnen widmet sich das internationale REANIMA-Projekt, an dem zwölf europäische Forschungszentren beteiligt sind. Das am CNIC (Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares) in Madrid koordinierte Projekt startet im Januar 2020 und wird von der Europäischen Kommission mit 8 Millionen Euro über fünf Jahre gefördert.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen verursachen weltweit die meisten Todesfälle. Herzinsuffizienz ist geradezu eine Epidemie, die neben der persönlichen Belastung mit...

Im Focus: Göttinger Chemiker weisen kleinstmögliche Eiskristalle nach

Temperaturabhängig gefriert Wasser zu Eis und umgekehrt. Dieser Vorgang, in der Wissenschaft als Phasenübergang bezeichnet, ist im Alltag gut bekannt. Um aber ein stabiles Gitter für Eiskristalle zu erreichen, ist eine Mindestanzahl an Molekülen nötig, ansonsten ist das Konstrukt instabil. Bisher konnte dieser Wert nur grob geschätzt werden. Einem deutsch-amerikanischen Forschungsteam unter Leitung des Chemikers Prof. Dr. Thomas Zeuch vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen ist es nun gelungen, die Größe kleinstmöglicher Eiskristalle genau zu bestimmen. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Science erschienen.

Knapp 100 Wassermoleküle sind nötig, um einen Eiskristall in seiner kleinstmöglichen Ausprägung zu formen. Nachweisen konnten die Wissenschaftler zudem, dass...

Im Focus: Verzerrte Atome

Mit zwei Experimenten am Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg gelang es einer Forschergruppe unter Führung von Physikern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, starke nichtlineare Wechselwirkungen ultrakurzer extrem-ultravioletter (XUV) Laserpulse mit Atomen und Ionen hervorzurufen. Die heftige Anregung des Elektronenpaars in einem Heliumatom konkurriert so stark mit dem ultraschnellen Zerfall des angeregten Zustands, dass vorübergehend sogar Besetzungsinversion auftreten kann. Verschiebungen der Energie elektronischer Übergänge in zweifach geladenen Neonionen beobachteten die Wissenschaftler mittels transienter Absorptionsspektroskopie (XUV-XUV Pump-Probe).

Ein internationales Team unter Leitung von Physikern des MPIK veröffentlicht seine Ergebnisse zur stark getriebenen Zwei-Elektronen-Anregung in Helium durch...

Im Focus: Distorted Atoms

In two experiments performed at the free-electron laser FLASH in Hamburg a cooperation led by physicists from the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear physics (MPIK) demonstrated strongly-driven nonlinear interaction of ultrashort extreme-ultraviolet (XUV) laser pulses with atoms and ions. The powerful excitation of an electron pair in helium was found to compete with the ultrafast decay, which temporarily may even lead to population inversion. Resonant transitions in doubly charged neon ions were shifted in energy, and observed by XUV-XUV pump-probe transient absorption spectroscopy.

An international team led by physicists from the MPIK reports on new results for efficient two-electron excitations in helium driven by strong and ultrashort...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hochleistungsmaterialien mit neuen Eigenschaften im Fokus von Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft

11.11.2019 | Veranstaltungen

Weniger Lärm in Innenstädten durch neue Gebäudekonzepte

08.11.2019 | Veranstaltungen

Automatisiertes Fahren und Recht

06.11.2019 | Veranstaltungen

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

Effizienz-Weltrekord für organische Solarmodule aufgestellt

11.11.2019 | Energie und Elektrotechnik

Antibiotika: Neuer Wirkstoff wirkt auch bei resistenten Bakterien

11.11.2019 | Biowissenschaften Chemie

Forschungsprojekt kombiniert Digitalisierung und Verfahrenstechnik

11.11.2019 | Energie und Elektrotechnik

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