Streitfrage in der Festkörperphysik nach 40 Jahren entschieden

Ein internationales Team um Prof. Oliver Rader hat an BESSY II gezeigt, dass  Samariumhexaborid kein topologischer Isolator ist. Durch einen Quanteneffekt wird dieses metallische Material bei sehr tiefen Temperaturen zu einem Kondo-Isolator, zeigt aber dennoch eine Restleitfähigkeit. Theoretische und erste experimentelle Arbeiten hatten zuvor darauf hingedeutet, dass dies auf einen topologischer Isolator schließen lässt. Das Team hat nun in Nature Communications eine überzeugende alternative Erklärung vorgestellt.

Samariumhexaborid (SmB₆) ist ein dunkler Feststoff, der bei Raumtemperatur metallisch ist. Dabei gehört Samarium zu den Lanthaniden, einer Gruppe von Elementen mit mehreren Elektronen, die auf lokalisierten, sogenannten f-Orbitalen sitzen, und stark miteinander wechselwirken. Je tiefer die Temperaturen sinken, desto stärker zeigen sich diese Wechselwirkungen. Unterhalb der sogenannten Kondo-Temperatur wird SmB₆ zu einem so genannten Kondo-Isolator, benannt nach Jun Kondo, der als erster diesen Quanteneffekt erklären konnte.

Nahe dem absoluten Nullpunkt: Restleitfähigkeit trotz Kondo-Effekt

Nun haben vor etwa 40 Jahren Physiker beobachtet, dass SmB₆ bei tiefen Temperaturen unter 4 Kelvin noch eine Restleitfähigkeit behält, deren Ursache bis heute ungeklärt blieb. Nach der Entdeckung der Materialklasse der topologischen Isolatoren vor rund zwölf Jahren wurden Hypothesen laut, dass SmB₆ sowohl ein Kondo-Isolator als auch ein topologischer Isolator sein könnte - dies würde die Anomalie in der Leitfähigkeit sehr grundlegend erklären. Tatsächlich deuteten erste Experimente darauf hin.

Nun an BESSY II: Präzise Vermessung der Energiebänder

Nun konnte ein internationales Team um Prof. Oliver Rader besonders gute Proben von SmB₆ an BESSY II detailliert untersuchen. Die Proben von Kooperationspartnern aus der Ukraine wurden entlang bestimmter Kristallebenen gespalten und mit Hilfe der weltweit einmaligen höchstauflösenden Apparatur für Photoemissionsspektroskopie ARPES 13 an BESSY II untersucht. Dabei konnten die Physiker die nötigen niedrigen Temperaturen bis hinunter zu 1 Kelvin erreichen und die Energieniveaus der unterschiedlichen Elektronenbänder bezogen auf die Geometrie des Kristalls sehr genau vermessen. 

Analyse der Messdaten zeigt: Kein topologischer Isolator

Ihre Messungen bestätigten zwar den Befund von beweglichen Elektronen an der Oberfläche. Sie belegten aber gleichzeitig, dass sich die Elektronen aufgrund der beobachteten geraden Zahl von Bandüberkreuzungen nicht in topologischen Oberflächenzuständen befinden.

Sondern: Lokale Verschiebung der Bandlücken erklärt Restleitfähigkeit

In den folgenden Experimenten suchten die Forscher intensiv nach einer alternativen Erklärung für die Leitfähigkeit, die inzwischen tatsächlich an der Oberfläche nachgewiesen worden war. „Wir konnten zeigen, dass sich die Lücke zwischen den erlaubten Energieniveaus der Elektronen, die sich durch den Kondo-Effekt auftut, an der Oberfläche ein klein wenig verschoben wird. Deshalb kann die Probe genau dort leitfähig sein. Damit ist aber auch klar, dass die besondere Oberflächenleitfähigkeit nicht von topologischen Eigenschaften verursacht wird“, erklärt Dr. Emile Rienks, der die Experimente zusammen mit dem Doktoranden Peter Hlawenka (HZB und Universität Potsdam) durchgeführt hat.

Ausblick: Grüne Spintronik/Energieffiziente IT

Die Forschung an Topologischen Isolatoren und anderen Materialien, die starke quantenphysikalische Effekte zeigen, könnte zu neuen Bauelementen für eine energieeffiziente Informationstechnologie führen. Informationen könnten mit minimalem Energieeinsatz verarbeitet und gespeichert werden, wenn man die Physik dieser Materialien noch besser verstehen und damit auch kontrollieren kann.

Zur Publikation in Nature Communication (2018): Samarium hexaboride is a trivial surface conductor, P. Hlawenka, K. Siemensmeyer, E. Weschke, A. Varykhalov, J. Sánchez-Barriga, N.Y. Shitsevalova, A.V. Dukhnenko, V.B. Filipov, S. Gabáni, K. Flachbart, O. Rader & E.D.L. Rienks

DOI: 10.1038/s41467-018-02908-7