Quantenmaterialien gelten als mögliche Grundlage zukünftiger Elektronik. Sie könnten Daten schneller verarbeiten, Energieverluste reduzieren und neue Bauteile für Quantentechnologien ermöglichen. Doch viele dieser Materialien verhalten sich deutlich anders als klassische Leiter oder Halbleiter. Genau deshalb versuchen Forschende seit Jahren besser zu verstehen, wie sich Elektronen darin bewegen.
Nun ist einem internationalen Team um die Universität Genf ein wichtiger Schritt gelungen. Die Forschenden fanden erstmals experimentelle Hinweise auf sogenannte quantenmetrische Effekte in einem dreidimensionalen topologischen Isolator. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature Materials.
Materialien mit ungewöhnlichen Oberflächen
Topologische Isolatoren besitzen eine ungewöhnliche Eigenschaft. Im Inneren leiten sie elektrischen Strom kaum. An ihrer Oberfläche können sich Elektronen dagegen sehr effizient bewegen.
Das Besondere daran: Diese Oberflächenzustände reagieren vergleichsweise robust auf Störungen durch Verunreinigungen oder Materialfehler. Genau deshalb interessieren sich Forschende seit Jahren für diese Stoffklasse.
Die nun untersuchte Verbindung bestand aus Antimon und Tellur. Genauer gesagt handelte es sich um Antimontellurid, einen der bekanntesten dreidimensionalen topologischen Isolatoren.
„Es gibt mehrere Familien von topologischen Isolatoren“, erklärt Giacomo Sala von der Universität Genf. „Das Material, das wir in dieser Arbeit verwendet haben, besteht aus Antimon und Tellur.“ Weiter sagt er: „Es ist einer der bislang am intensivsten untersuchten topologischen Isolatoren.“
Was steckt hinter der Quantenmetrik?
Im Mittelpunkt der Studie steht die sogenannte Quantenmetrik. Dahinter verbirgt sich ein Konzept aus der Quantenphysik, das die geometrischen Eigenschaften von Elektronenzuständen beschreibt.
Vereinfacht gesagt untersucht die Quantenmetrik, wie stark sich Quantenzustände verändern, wenn sich Elektronen durch ein Material bewegen. Diese Geometrie beeinflusst unter anderem elektrische und optische Eigenschaften.
Lange galt die Quantenmetrik vor allem als theoretisches Konzept. Inzwischen gelingt es Forschungsteams zunehmend, ihre Auswirkungen experimentell nachzuweisen.
Bereits zuvor hatte das Team um Andrea Caviglia entsprechende Effekte in einem anderen Quantensystem beobachtet. Die neue Arbeit zeigt nun ähnliche quantenmetrische Signaturen erstmals in einem dreidimensionalen topologischen Isolator.
Elektrische Kontrolle der Effekte
Besonders interessant ist dabei die Möglichkeit, die beobachteten Effekte elektrisch zu beeinflussen. Die Forschenden nutzten dafür elektrische Spannungen, um die elektronischen Zustände an den Materialoberflächen gezielt zu verändern.
„Diese neuen Ergebnisse erweitern und bestätigen unsere früheren Beobachtungen“, sagt Andrea Caviglia. „Darüber hinaus zeigen sie, dass quantenmetrische Effekte elektrisch gesteuert werden können.“
Die Messungen erfolgten bei sehr niedrigen Temperaturen von unter 30 Kelvin. Dabei zeigte sich laut Forschungsteam ein Verhalten, das sich mit klassischen Modellen nicht mehr erklären lässt. Stattdessen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass geometrische Eigenschaften der Quantenzustände eine direkte Rolle beim elektronischen Transport spielen.
Für was die Forschung gut ist
Noch handelt es sich klar um Grundlagenforschung. Von konkreten Produkten ist die Technologie weit entfernt. Trotzdem liefern die Ergebnisse neue Werkzeuge, um Quantenmaterialien besser zu verstehen.
Mögliche Anwendungen sehen Forschende langfristig unter anderem in:
- energieeffizienter Elektronik
- neuen Speichertechnologien
- ultraschneller Signalverarbeitung
- Quantentechnologien
- topologischen Bauelementen
Vor allem die gezielte Kontrolle elektronischer Eigenschaften gilt als wichtig. Denn viele Quantenmaterialien zeigen ihre besonderen Effekte nur unter genau definierten Bedingungen.
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