Widerstand auf der Nanoskala

Topologische Isolatoren unter dem Mikroskop

06.05.2016 - Deutschland

Die Kante ist nur rund fünf Atomschichten dick, aber sie reicht aus, um eine sicher geglaubte Theorie ins Wanken zu bringen: Projektleiter Dr. Christian Bobisch und Sebastian Bauer vom Center for Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) forschen an Topologischen Isolatoren, den neuen Hoffnungsträgern z.B. für Quantencomputer. Sie konnten nachweisen, dass Kanten auf deren Oberfläche entgegen der gängigen Meinung die elektrische Leitfähigkeit beeinflussen, indem sie wie kleine Widerstände wirken – so aber gleichzeitig die Tür zu einem präzisen elektronischen Oberflächendesign öffnen.

CENIDE - Center for Nanointegration Duisburg-Essen

Einige Bauteile elektronischer Schaltungen sind heute nur noch 14 Nanometer groß. Doch hier kommt der Trend zu immer kleineren Komponenten auch an seine Grenze: In diesen winzigen Dimensionen tauchen zunehmend Quanteneffekte auf, die klassische, siliziumbasierte Technik unmöglich machen. Für zusätzliche Probleme sorgt die Wärme in den dicht gepackten Schaltungen.

Forscher setzen daher ihre Hoffnungen auf eine neue Materialklasse, die erst vor wenigen Jahren entdeckt wurde: die Topologischen Isolatoren. Während diese im Innern isolierend sind, erlauben sie gleichzeitig auf ihrer Oberfläche die Bewegung von Ladungen, leiten hier also den elektrischen Strom. Die bisher anerkannte Theorie besagte, dass diese Leitfähigkeit nicht durch Defekte an der Oberfläche beeinträchtigt wird.

Die Physiker Sebastian Bauer und Dr. Christian Bobisch konnten nun aber nachweisen, dass dies sehr wohl der Fall ist: Sie gehören zu den wenigen Wissenschaftlern, die die „Rastertunnelpotentiometrie“ beherrschen – eine Methode, die mit atomarer Genauigkeit gleichzeitig misst, wie eine Oberfläche beschaffen ist und wo Strom entlangfließt. In ihrer Probe aus Bismuthselenid (Bi₂Se₃) konnten sie zeigen, dass jede nanometerhohe Kante einer rauen Oberfläche wie ein winziger Widerstand wirkt. In Summe reduzieren sie die Leitfähigkeit der ganzen Schicht.

Bobisch interpretiert seine Ergebnisse keineswegs als Rückschlag für die neuen Hoffnungsträger, sondern als zusätzlichen Vorteil: „Wir können nun das Potenzial der Topologischen Isolatoren in künftigen Bauelementen realistischer einschätzen. Aber es ergeben sich auch ganz neue Möglichkeiten. Es ist denkbar, mit diesem Wissen die Oberfläche bewusst zu designen – wo soll viel Strom fließen, wo weniger?“ Durch ein vorgegebenes Design für das Bauteil würden sich zudem Streuverluste verringern und damit automatisch auch die Erwärmung.