Nicht alle Materialien leiten Elektrizität auf die gleiche Weise. Dieser Unterschied hängt vom Verhalten der sie bildenden Elektronen ab. Darunter faszinieren die 2006 entdeckten topologischen Isolatoren die Wissenschaftler besonders. Diese Materialien blockieren den Stromfluss im Inneren wie herkömmliche Isolatoren, lassen ihn aber an ihrer Oberfläche fließen.
Dieses Phänomen erklärt sich durch die besonderen Eigenschaften der Elektronen an ihrer Oberfläche. Diese könnten sich für die Elektronik der Zukunft als nützlich erweisen, insbesondere im Bereich der Quanteninformatik. Eine dieser Eigenschaften, die als "Quantenmetrik" bezeichnet wird, beschreibt die geometrischen Eigenschaften des Raums, in dem sich die Elektronen bewegen.
Ähnlich einer aus dem Raum entstehenden Krümmung, die in Quantenmaterialien eingebettet ist, verformt die Quantenmetrik die elektronischen Flugbahnen an der Oberfläche topologischer Isolatoren.
© Xavier Ravinet - UNIGE
Der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft steht nun eine neue Eigenschaft zur Verfügung, um die Materialien der Zukunft zu erforschen.
Neue Beobachtung der "Quantenmetrik"
Im Jahr
2025 hatte das Team von Andrea Caviglia, ordentlicher Professor am Département für Physik der Quantenmaterie (DQMP) der Sektion Physik der Fakultät für Naturwissenschaften, diese bis dahin nur theoretische Eigenschaft empirisch gemessen. Das Experiment wurde an einem Quantenmaterial aus Strontiumtitanat und Lanthanaluminat durchgeführt.
Heute verkündet das Team von Andrea Caviglia in einer neuen Studie, die mit der Universität Salerno, dem Institut für Materialwissenschaften in Barcelona und dem italienischen nationalen Forschungszentrum durchgeführt wurde, denselben Effekt in einem dreidimensionalen topologischen Isolator beobachtet zu haben. Diese erste Beobachtung ebnet den Weg für eine bessere Kontrolle der elektrischen Eigenschaften von Materialien der nächsten Generation.
"Es gibt mehrere Familien topologischer Isolatoren", erklärt Giacomo Sala, wissenschaftlicher Mitarbeiter am DQMP der UNIGE und Erstautor der Studie. "Derjenige, den wir hier verwendet haben, besteht aus Antimon und Tellur, zwei Halbmetallen mit Eigenschaften, die zwischen Metallen und Nichtmetallen liegen. Es handelt sich um einen der am besten untersuchten topologischen Isolatoren, und seine Anwendungen versprechen vielversprechend zu sein."
Hin zu einer besseren Beherrschung neuer Materialien
"Diese neuen Ergebnisse erweitern und bestätigen unsere früheren Beobachtungen, die an einem ganz anderen Material gewonnen wurden. Darüber hinaus zeigen sie, dass die mit der Quantenmetrik verbundenen Effekte elektrisch gesteuert werden können", freut sich Andrea Caviglia, der diese Arbeiten geleitet hat.
"Der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft steht nun eine neue Eigenschaft zur Verfügung, um die Materialien der Zukunft zu erforschen, insbesondere um zu untersuchen, wie die geometrischen Eigenschaften der Elektronen die tiefe Natur dieser Materialien offenbaren können." Langfristig könnten sie die derzeitigen Technologien zur Datenübertragung, -verarbeitung und -speicherung übertreffen.
Quelle: Universität Genf