Dresdner Forscherteam entdeckt ein neues Material, das den elektrischen Strom an der Oberfläche fast ungehindert leitet, im Inneren aber ein elektrischer Isolator ist. Es handelt sich dabei um Wismut-Würfel, die eine Wabenstruktur bilden, ähnlich wie sie von Graphen bekannt ist. Anders als Graphen funktioniert das neue Material auch bei Raumtemperatur und ist deshalb ein vielversprechender Kandidat für die Anwendung in der Nanoelektronik.

Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) in Dresden haben ein neues Material synthetisiert, das in seinem atomaren Aufbau an Graphen, ein wabenförmiges Netz aus Kohlenstoffatomen, erinnert. Dieses Netz besteht jedoch aus dem schwereren Element Wismut. Während in Graphen die Kohlenstoffatome eine bienenwabenartige zweidimensionale Schicht bilden, sind es in dem neuen Material Würfel aus Wismutatomen, die dieses Muster formen. Die Dresdner Forscher begeistert besonders, dass die Elektronen in ihrem neuen Material einen exotischen Quantenzustand der Materie bilden. Wie die Forscher um Prof. Michael Ruck in der Anorganischen Chemie der Technischen Universität Dresden und Prof. Jeroen van den Brink vom IFW in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature Materials“ berichten, handelt es sich dabei um einen sogenannten „topologischen Isolator“, an dessen Kanten elektrischer Strom ohne Verluste fließen kann.

Doch was sind topologische Isolatoren? Normalerweise werden Materialien hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften entweder als metallische Leiter oder als Isolatoren, die nur geringe elektrische Leitfähigkeit besitzen, klassifiziert. Topologische Isolatoren werden von Physikern auch als dritter elektronischer Zustand der Materie beschrieben, denn man kann ihn weder den Leitern noch den Isolatoren zuordnen. So ist das Innere des Materials ein Isolator, während die Oberfläche metallisch leitet. Die Besonderheit dabei ist, dass dieser elektrische Strom auf der Oberfläche schwer durch äußere Einflüsse gestört werden kann. Aufgrund dieser Eigenschaft sieht man in den topologischen Isolatoren ein großes Potenzial für eine Anwendung in zukünftigen nanoelektronischen Transistoren, Speicherbausteinen und Sensoren, die außergewöhnlich energieeffizient sind.

„Graphen wurde lange als Musterbeispiel eines topologischen Isolators gehandelt, doch kann man daran diesen Effekt nur bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beobachten“, erklärt Professor Michael Ruck die spannende Suche nach dem geeigneten Stoff. „Das von uns entdeckte Material aus Wismutwürfeln ist strukturell und in seinen topologischen Eigenschaften dem Graphen verwandt, hat aber den gravierenden praktischen Vorteil, auch bei Raumtemperatur ein topologischer Isolator zu sein.“

Jedes Elektron besitzt neben seiner Ladung zugleich auch ein magnetisches Moment, den Spin des Elektrons. In einem normalen Metall, wie beispielsweise Kupfer, weisen diese Elektronenspins in beliebige Richtungen. Ganz anders verhalten sich die Elektronen, welche sich entlang der Seiten der bienenwabenartigen Schichten in dem neuen Material bewegen: Sie zeigen eine spontane Ausrichtung ihrer Spins, die auf die exotische Quantennatur des topologischen Isolators zurückzuführen ist. Der Effekt ist sogar weitergehend: Wenn die Elektronen ihre Bewegungsrichtung umkehren, kehrt sich kollektiv auch die Ausrichtung ihrer Spins um. Somit haben Elektronen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, auch entgegengesetzte Spinorientierungen.

Die Spinausrichtung von Elektronen, die den elektrischen Strom tragen, ist äußerst nützlich für eine Anwendung in der Spintronik, einer in der Entwicklung befindlichen Informationsverarbeitungstechnologie, die auf der Kontrolle von Elektronenspins beruht und zu hocheffiziente Prozessoren und Speicherbausteinen führen soll.

Die beiden Dresdner Wissenschaftler Michael Ruck und Jeroen van den Brink sind stolz auf das Ergebnis ihrer engen Zusammenarbeit. „Das exzellente Forschungsumfeld in Dresden mit starken Partnern hat einen sehr wichtigen Beitrag zu unserem Erfolg geleistet“ betont Professor Jeroen van den Brink, der Direktor des Instituts für Theoretische Festkörperphysik am IFW ist.

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Das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden – kurz das IFW Dresden – ist ein außeruniversitäres Forschungsinstitut und Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Das Institut beschäftigt sich mit moderner Materialwissenschaft und kombiniert Forschungstätigkeiten in Physik, Chemie und Materialwissenschaften mit der technologischen Entwicklung neuer Materialien und Produkte. Das IFW Dresden beschäftigt rund 530 Mitarbeiter, darunter 200 Wissenschaftler, größtenteils Physiker, Chemiker und Ingenieure. Bund und Länder tragen zu gleichen Teilen das Budget von 29 Millionen Euro (2012). Neben dieser institutionellen Finanzierung wirbt das IFW Dresden Projektmittel in Höhe von jährlich 11 Millionen Euro ein.

Originalpublikation:
Nature Materials, „Stacked topological insulator built from bismuth-based graphene sheet analogues“,
DOI: 10.1038/NMAT3570

Informationen für Journalisten:
Prof. Dr. Michael Ruck
Technische Universität Dresden

Tel. +49 351 463-33244

Prof. Dr. Jeroen van den Brink
IFW Dresden

Tel. +49 351 4659-400