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Quantenmaterialien Wann Strom verlustfrei fließen kann

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Topologische Quantenmaterialien versprechen eine „grüne Elektronik“, mit der Zukunftstechnologien nachhaltiger werden könnten. Denn aus ihnen gefertigte Drähte können Strom verlustfrei leiten. Wann dieser Fall tatsächlich eintritt, haben Physiker der Uni Würzburg und der TU Dresden untersucht.

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Elektronenfluss auf der Oberfläche des Quantenmaterials Blei-Zinn-Selenid. Durch die keilförmige Anordnung der „topologischen Drähte“ konnten die Physiker exakt bestimmen, ab welchem Mindestabstand Strom verlustfrei fließt – im Bild rot markiert.
Elektronenfluss auf der Oberfläche des Quantenmaterials Blei-Zinn-Selenid. Durch die keilförmige Anordnung der „topologischen Drähte“ konnten die Physiker exakt bestimmen, ab welchem Mindestabstand Strom verlustfrei fließt – im Bild rot markiert.
(Bild: Matthias Bode/ Uni Würzburg)

In elektronischen Geräten verbinden viele Drähte die einzelnen Komponenten und leiten Strom von einem Ort zum anderen. In Drähten aus topologischen Quantenmaterialien kann dieser Strom nahezu verlustfrei fließen. Das verhindert ungewollte Erwärmungseffekte und bietet einen entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Leitungen zum Beispiel aus Kupfer.

Jedoch war der Abstand, in welchem topologische Drähte in elektronischen Bauteilen verlaufen können, bisher nicht bekannt. Die Forscher haben haben nun systematisch untersucht, wie benachbarte Drähte aus dem Material Blei-Zinn-Selenid (PbSnSe) – einem topologischen Isolator – zusammenwirken. Die aktuellen Forschungsergebnisse zeigen, dass topologische Drähte aus dem untersuchten Quantenmaterial PbSnSe nur mit einem Mindestabstand von 25 Nanometern Strom verlustfrei leiten. Bei kürzeren Abständen wird der besondere topologische Zustand, der dies ermöglicht, mehr und mehr verzerrt. Bei Drahtabständen unter zehn Nanometern verliert sich der topologische Charakter der Drähte vollständig.

Die Studie wurde vom Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter – durchgeführt. Ihre Erkenntnisse tragen dazu bei, dem Einsatz sogenannter topologischer Isolatoren in elektronischen Bauteilen ein Stück näher zu kommen.

Die aktuellen Untersuchungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

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