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Festkörperphysik : Kristalle von übermorgen

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Die Verknüpfung von Topologie und dem Verhalten von Elektronen in Festkörpern wurde bereits in den 1980er Jahren entdeckt, und Arbeiten aus dieser Zeit wurden 2016 mit dem Nobelpreis bedacht. Doch solange für die praktische Darstellung topologischer Festkörpersysteme starke äußere Magnetfelder notwendig waren, blieb das eine recht arkane Beschäftigung. Dann zeigten 2005 Berechnungen, dass es Materialien geben sollte, die als solche, ganz ohne äußeres Magnetfeld, topologische Isolatoren sind – allein durch die Wechselwirkung der Elektronenbewegung im Kristall mit ihrem eigenen Spin, eine quantenmechanische Eigenschaft, die man sich als Eigenrotation der Elektronen vorstellen kann.

Nachdem es Molenkamp und seinem Team gelungen war, in einer Schicht aus Quecksilbertellurid das erste solche System herzustellen, sind einige hundert Materialien identifiziert worden, die dieses Verhalten zeigen, Experten schätzen, dass es Zehntausende gibt. Und längst sind es nicht nur zweidimensionale Schichten mit eindimensionalen leitenden Rändern: Auch dreidimensionale Kristallkörper mit topologisch ideal leitenden zweidimensionalen Oberflächen sind inzwischen bekannt und seit neustem auch topologische Isolatoren „höherer Ordnung“. Ein Würfel aus solch einem Material würde dann nur entlang seiner Kanten leiten oder – auch das ist möglich – nur an seinen acht Ecken. „Letzteres ist eher von theoretischem Interesse“, sagt Titus Neupert von der Universität Zürich. „Was mich an den topologischen Isolatoren höherer Ordnung interessiert, sind solche, die nicht Eck-, sondern eindimensionale Kantenmoden aufweisen. Diese sind von der Natur her wie die Randmoden zweidimensionaler topologischer Isolatoren, also für den verlustlosen Transport von elektrischem Strom geeignet, aber sie entstehen eben generisch auf einer Kante eines dreidimensionalen Kristalls.“ Zweidimensionale topologische Isolatoren wie die aus dem prototypischen Quecksilbertellurid hingegen müssten oft auf komplizierte Weise erzeugt werden.

Damit verspricht der neue Effekt handfeste technische Anwendungen. Hoffnungen machen sich unter anderem Forscher, die an Quantencomputern arbeiten. Mit solchen Geräten würde sich die Leistungsfähigkeit von Datenverarbeitungsanlagen mit einem Schlag um viele Größenordnungen steigern lassen. „Die Anwendungen topologischer Isolatoren im Quantencomputing beruhen auf topologischer Supraleitung, und das ist ein Effekt, der auftreten kann, wenn ich einen topologischen Isolator in Kontakt mit einem normalen Supraleiter bringe“, erklärt Laurens Molenkamp. Doch hier ist der Würzburger Pionier lieber vorsichtig: „Die Erforschung dieser Effekte ist experimentell noch sehr am Anfang. Viele Experten sind noch nicht überzeugt, dass die Zustände, die für topologische Quantencomputer notwendig sind, tatsächlich beobachtet wurden.“

Neuperts Theoriegruppe an der ETH zielt auf Näherliegendes: „Ich sehe topologische Zustände von Materie eher als Möglichkeit, die klassische Elektronik zu miniaturisieren und weiterzuentwickeln.“ Denn auch ohne Kühlung auf tiefste Temperaturen, wie für Supraleiter erforderlich, würde topologische Elektronik wesentlich weniger Energie verbrauchen als heutige Siliciumtechnik. Sie würde kaum Abwärme mehr erzeugen und ließe sich daher möglicherweise weit über das gegenwärtig Denkbare hinaus miniaturisieren. Das Ende der Halbleiterzeit wäre dann bald gekommen.

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