Ein Quantenmaterial, das über ein Jahrzehnt nur in der Theorie existierte, wurde nun in einem Labor in Finnland gebaut. Physiker der Universität Jyväskylä und der Aalto University züchteten einen atomar dünnen Kristall, der Strom nur entlang seiner Kanten leitet – ein Verhalten, das möglicherweise bei Raumtemperatur funktioniert.
Zwei Schichten Zinntellurid auf einer speziellen Basis
Außerordentlicher Professor Kezilbeiek Shawulienu leitete das Team, das das Material herstellte, indem es nur zwei Schichten Zinntellurid (SnTe) auf ein Niobdiselenid (NbSe2) Substrat stapelte. Die Forscher nutzten Molekularstrahlepitaxie, um den Film zu züchten, und untersuchten ihn dann mit Tieftemperatur Rastertunnelmikroskopie. So konnten sie die elektronische Struktur des Materials Atom für Atom sehen. Sie fanden Paare von leitenden Kantenzuständen, das Kennzeichen eines topologischen kristallinen Isolators. Diese Zustände sind durch die Symmetrie des Kristallgitters geschützt, was bedeutet, dass Elektronen entlang der Kanten ohne Streuung reisen.
Dehnung als Kontrollknopf
Der Zinntellurid Film wird durch das darunterliegende Substrat komprimiert, was eine Dehnung erzeugt, die den topologischen Zustand des Materials stabilisiert. Das Team zeigte, dass eine Änderung der Dehnung die Kantenzustände anpasst, was Forschern eine praktische Möglichkeit gibt, das elektronische Verhalten des Materials zu justieren. Die Kantenzustände treten innerhalb einer großen elektronischen Bandlücke von mehr als 0,2 Elektronenvolt auf. Quantenmechanische Berechnungen aus ersten Prinzipien bestätigten, dass die Zustände einen topologischen Ursprung haben. Die Forscher beobachteten auch, dass benachbarte Kantenzustände interagieren und ihre Energieniveaus durch eine Mischung aus elektrostatischen Kräften und Quantentunneln verschieben.
Eine Plattform für Raumtemperatur Quantenelektronik
Da die Bandlücke relativ groß ist, wird erwartet, dass die topologischen Eigenschaften des Materials auch bei Raumtemperatur stabil bleiben. Das macht es zu einer vielversprechenden Plattform für die Erforschung dehnungsjustierbarer zweidimensionaler topologischer Zustände. Die Arbeit könnte zukünftige Fortschritte in der spinbasierten Elektronik und bei nanoskaligen Geräten unterstützen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
