Neue Einblicke in das Wechselspiel topologischer Isolatoren

26.08.2022 - Deutschland

Wolfram-di-Tellurid (WTe₂) hat sich zuletzt als vielversprechendes Material zur Realisierung topologischer Zustände bewährt. Diese gelten aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften als Schlüssel für neuartige „spintronische“ Bauelemente und Quantencomputer der Zukunft. Physiker des Forschungszentrums Jülich konnten mittels Untersuchungen am Rastertunnelmikroskop nun erstmals nachvollziehen, wie sich die topologischen Eigenschaften mehrlagiger WTe₂-Systeme systematisch verändern lassen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlicht.

Topologische Isolatoren wurden durch den Physik-Nobelpreis 2016 über Fachkreise hinaus bekannt. Ihre Erforschung steht aber noch recht am Anfang, viele grundlegenden Fragen sind noch ungeklärt. Die Verbindung WTe₂ zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sie in Abhängigkeit von ihrer Schichtdicke eine ganze Reihe exotischer physikalischer Phänomene ausbildet. Atomar dünnen Lage sind flächig isolierend, weisen aufgrund ihrer Kristallstruktur aber sogenannte topologisch geschützte Randkanäle auf. Diese Randkanäle sind elektrisch leitend, wobei die Leitfähigkeit vom Spin der Elektronen abhängt. Wenn man nun zwei solcher Lagen aufeinanderstapelt, kommt es zu unterschiedlichen Wechselwirkungen, je nachdem, wie die Lagen zueinander ausgerichtet sind.

Sind die beiden Schichten nicht gleich ausgerichtet, interagieren die leitfähigen Randkanäle in den beiden Lagen nur minimal. Sind sie jedoch genau um 180° verdreht, verschwinden der topologische Schutz sowie die Randkänale. Das gesamte System wird dann isolierend. Bei einer minimalen Verdrehung von nur wenigen Grad bildet sich ferner eine periodische Überstruktur, ein sogenanntes Moiré-Gitter, aus, welches die elektrische Leitfähigkeit zusätzlich moduliert. Diese lokal veränderlichen Eigenschaften konnten Forscher des Peter Grünberg Instituts (PGI-3) nun erstmals mithilfe eines Rastertunnelmikroskops auf der atomaren Skala untersuchen und so die Wechselwirkungen zwischen den Lagen verstehen.

Originalveröffentlichung

Felix Lüpke, Dacen Waters, Anh D. Pham, Jiaqiang Yan, David G. Mandrus, Panchapakesan Ganesh, and Benjamin M. Hunt; Quantum Spin Hall Edge States and Interlayer Coupling in Twisted Bilayer WTe2; Nano Lett. (27 June 2022)

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