Language
Country/Area
No result found
Wie verändern topologische Isolatoren unser Verständnis von Materialien mit „verdrehten“ Energiebändern?
Mit der rasanten Entwicklung der Materialwissenschaften haben topologische Isolatoren (TIs) zunehmende Aufmerksamkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf sich gezogen. Die Eigenschaften dieser Materialien unterscheiden sich stark von denen herkömmlicher Isolatoren. Das Innere fungiert als Isolator, die Oberfläche leitet jedoch Elektrizität, was bedeutet, dass sich Elektronen nur entlang der Oberfläche des Materials bewegen können. Diese besondere physikalische Eigenschaft ist auf das sogenannte „Verzerrungs“-Phänomen in der Energiebandstruktur zurückzuführen, das unser grundlegendes Verständnis von Materie verändert hat.
Topologische Isolatoren haben eine verdrillte Bandstruktur, die einen festen Oberflächenleitfähigkeitszustand erzeugt, der sie von gewöhnlichen Isolatoren unterscheidet.
Topologische Isolatoren können existieren, weil zwischen ihrem Valenzband und ihrem Leitungsband eine offensichtliche Energielücke besteht. Diese Eigenschaft bedeutet jedoch nicht, dass sie ohne Einschränkungen ineinander umgewandelt werden können. Erst wenn sich die Energiebandstruktur ändert, kann diese Lücke beseitigt werden und in einen regulären leitenden Zustand übergehen. Daher sind die Grenzen zwischen topologischen Isolatoren und gewöhnlichen Isolatoren relativ klar und bestehen nur in Phasen, die Strom leiten können. Unabhängig davon, ob sie auf lokalen Symmetriestörungen oder äußeren Einflüssen beruhen, weisen diese Oberflächenleitfähigkeitszustände eine extrem hohe Stabilität auf.
Obwohl der Oberflächenzustand gewöhnlicher Isolatoren auch Elektrizität leiten kann, weist nur der Oberflächenzustand topologischer Isolatoren diese Zähigkeit auf.
In hochdimensionalen topologischen Isolatoren weisen Oberflächenzustände viele wunderbare Eigenschaften auf. Beispielsweise ist in einem dreidimensionalen topologischen Isolator mit Zeitumkehrsymmetrie der Spin des Oberflächenzustands mit der Bewegungsrichtung verknüpft, wodurch das sogenannte Spin-Impuls-Locking-Phänomen entsteht. Diese Situation unterdrückt die „U-förmige“ Kurve im Streuprozess stark und verbessert die Metallleitfähigkeit auf der Oberfläche.
Das Potenzial topologischer Isolatoren beschränkt sich jedoch nicht nur auf den Elektronentransport. Die Oberfläche dieser Art von Material kann auch Majorana-Teilchen tragen. Das Aufkommen dieser supraleitenden Phänomene hat topologische Isolatoren zu einem heißen Thema für mögliche Anwendungen in der Quantencomputer- und Spintronik-Technologie gemacht.
Der „Grand Screening“-Effekt topologischer Isolatoren ist der Schlüssel für die Zukunft des Quantencomputings.
Topologische Isolatoren wie Bi2Te3 und ihre Legierungen werden gerade wegen ihrer möglichen Anwendungen im thermoelektrischen Effekt prominent erwähnt. Diese Materialien bestehen in der Regel aus schweren Elementen, die die Wärmeleitfähigkeit effektiv reduzieren und so die Effizienz der thermoelektrischen Umwandlung verbessern können. Durch die Untersuchung der Bandwellenformen topologischer Isolatoren verstehen Forscher nun, wie sie eine Verringerung der effektiven Elektronenmasse in diesen Materialien erreichen und dadurch die Leitfähigkeit an den Talrändern erhöhen können.
Perspektiven zur Vorbereitung und Anwendung topologischer Isolatoren
Die Synthesetechnologie für topologische Isolatoren wird immer ausgereifter, einschließlich metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD), physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) und Molekularstrahlepitaxie (MBE). Insbesondere MBE kann, da es in einer Hochvakuumumgebung durchgeführt wird, die Kontamination von Proben wirksam reduzieren und ist zur Hauptvorbereitungsmethode für hochwertige Einkristall-Dünnfilme geworden. Interessanter ist, dass das Dünnschichtwachstum topologischer Isolatoren hauptsächlich auf Van-der-Waals-Kräften zwischen Schichten beruht, was den Entwurf integrierter Schaltkreise auf verschiedenen Substraten einfacher macht.
Zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren, den Herstellungsprozess dieser Materialien besser zu steuern und ihre Möglichkeiten in einem breiteren Anwendungsspektrum zu erkunden, insbesondere in den Bereichen supraleitende Materialien und Quantencomputer.
Können wir mit einem tieferen Verständnis der Eigenschaften topologischer Isolatoren mehr Materialien für die Quantentechnologie entwickeln?
