Bismut zeigt neuartige leitende Eigenschaften

17.09.2018 - Spanien

topologische Isolatoren sind Materialien, die innen isolieren, aber auf ihrer Oberfläche elektrischen Strom leiten. Der Strom fließt widerstandslos und reagiert unkonventionell auf elektrische und magnetische Felder. Diese einzigartigen Eigenschaften werden mit großem Interesse für zukünftige Anwendungen in der Hochleistungselektronik und der Quantenberechnung untersucht.

Vor kurzem wurde von einer Gruppe von Physikern des Donostia International Physics Center (DIPC), der University of the Basque Country (UPV/EHU), der UZH, der Princeton University und dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik eine neue Klasse von topologischen Materialien mit neuartigen leitenden Eigenschaften an den Rändern von Kristallen anstelle der Oberflächen vorhergesagt. Der neue Werkstoff erhielt den Namen "topologische Isolatoren höherer Ordnung"

Theoretischen Untersuchungen zufolge sind die leitenden Kanten für topologische Isolatoren höherer Ordnung außerordentlich robust: Der Strom der topologischen Elektronen kann nicht durch Verunreinigungen gestoppt werden, und wenn der Kristall bricht, leiten die neuen Kanten automatisch auch Strom. Die außergewöhnlichste Eigenschaft dieser neuen Materialien ist jedoch, dass sie theoretisch Strom ohne jegliche Verlustleistung leiten können, wie es Supraleiter bei niedrigen Temperaturen tun. Dies wäre eine spezifische Eigenschaft von topologischen Isolatoren höherer Ordnung.

Bismut ist topologisch

Dank einer breiteren wissenschaftlichen Zusammenarbeit, an der auch Wissenschaftler der Universität Paris-Süd und des CNRS beteiligt waren, wurde nun bestätigt, dass Bismut, ein Element, das bisher bezüglich Bulk-Topologie als trivial bezeichnet wird, einer höherer Ordnung folgt.

Die besonderen topologischen Eigenschaften dieses Elements wurden zunächst anhand von Symmetrieargumenten, topologischen Indizes, First-Principles-Berechnungen und dem kürzlich eingeführten Erkenntnissen der topologischen Quantenchemie identifiziert.

Dieses Phänomen wurde dann experimentell verifiziert. Mit der Scanning-Tunneling-Spektroskopie wurden die einzigartigen Signaturen der Rotationssymmetrie der eindimensionalen Zustände an den Stufenrändern der Kristalloberfläche nachgewiesen. Mit Hilfe der Josephson-Interferometrie demonstrierten Wissenschaftler ihren universellen topologischen Beitrag zum elektronischen Transport.

Originalveröffentlichung

Frank Schindler, Zhijun Wang, Maia G. Vergniory, Ashley M. Cook, Anil Murani, Shamashis Sengupta, Alik Yu. Kasumov, Richard Deblock, Sangjun Jeon, Ilya Drozdov, Hélène Bouchiat, Sophie Guéron, Ali Yazdani, B. Andrei Bernevig & Titus Neupert; "Higher-order topology in bismuth"; Nature Physics volume 14, pages 918-924 (2018).

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