Topologische Materialien für die Informationstechnologie: Verlustfrei Signale übertragen

Neue Experimente an BESSY II mit magnetisch dotierten Topologischen Isolatoren zeigen vielversprechende Möglichkeiten für eine verlustfreie Signalübertragung auf. Ein überraschendes Phänomen der Selbstorganisation hilft dabei. Zukünftig könnte es so möglich sein, Materialien zu entwickeln, die dieses Phänomen bei Raumtemperatur zeigen und sich als Q-Bit Recheneinheiten in einem Quantencomputer einsetzen lassen. Die Arbeit ist im renommierten Wissenschaftsjournal Nature publiziert.

Neue Effekte in der Festkörperphysik werden oft bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin oder -273°C) entdeckt.  Weitere Forschungsarbeiten müssen dann zeigen, ob und wie sich diese auch bei Raumtemperatur hervorrufen lassen. So wurde z.B. die Supraleitung vor mehr als 100 Jahren zunächst in Quecksilber unterhalb von 4 Kelvin beobachtet. Heute gibt es bereits eine Reihe von Hochtemperatursupraleitern, die bei 138 Kelvin oder sogar 200 Kelvin (Rekord H₂S) supraleitend werden und elektrischen Strom verlustfrei transportieren können.

Verlustfreie Leitung in Stromkanälen

An einem magnetisch dotierten topologischen Isolator wurde im Jahre 2013  erstmals der quantisierte anomale Hall Effekt (QAHE) beobachtet, allerdings nur bei Temperaturen unter 50 Millikelvin. Ähnlich wie die Supraleitung erlaubt dieser Effekt den verlustfreien Stromtransport in dünnen Stromkanälen an den Rändern der Probe. Inzwischen ist es gelungen, die Temperatur, bei der dieser Effekt zu beobachten ist auf etwa 1 Kelvin hochzutreiben.

Effekt bei höherer Temperatur erwartet

Allerdings sollte aufgrund theoretischer Überlegungen der quantisierte anomale Hall Effekt bei viel höherer Temperatur auftreten.  Es ist also ein Rätsel, warum dies nicht geschieht. Ein entscheidender Parameter ist die magnetische Energielücke in der Probe, die allerdings bislang noch niemals gemessen werden konnte.  Je größer diese ist, desto stabiler ist der Effekt gegen störende Temperatureinflüsse.

Durchbruch an BESSY II

Hier ist nun einem internationalen Team um den HZB-Physiker Prof. Dr. Oliver Rader und Prof. Dr. Gunther Springholz der Universität Linz ein Durchbruch gelungen. Durch Photoelektronenspektroskopie an BESSY II haben sie erstmals diese Energielücke bei einer solchen Probe nachweisen und messen können. Hierzu wurden die Apparaturen ARPES1cube für tiefste Temperaturen, sowie die neue spinauflösende Apparatur des Russisch-Deutschen Labors genutzt. Erstaunlicherweise war die Lücke sogar fünfmal größer als theoretisch vorhergesagt.

Bildung einer Überstruktur

Die Wissenschaftler fanden einen einfachen Grund für dieses Ergebnis.  „Wir wissen nun, dass die Mangan-Dotierung nicht ungeordnet stattfindet, sondern im Gegenteil eine sogenannte Überstruktur im Material ausbildet, die ähnlich wie ein Blätterteig aufgebaut ist“, erklärt Springholz. Durch Beimischung von einigen Prozent Mangan wechseln sich Schichten aus sieben Atomlagen und Schichten aus fünf Atomlagen ab. Dabei wird Mangan vorzugsweise in der Mitte der Schichten, die aus sieben Atomlagen bestehen, eingebaut und kann so wesentlich effektiver eine vergleichsweise große  Energielücke erzeugen.

„Bisher reichte die Phantasie der Forscher beim Dotieren nicht weit genug“, sagt Rader im Rückblick. Denn bisher verwendeten sie dreiwertige magnetische Elemente wie Chrom und Vanadium, um Bismut in Bismut-Tellurid (Bi₂Te₃) durch magnetische Atome teilweise und ungeordnet zu ersetzen. Der Grund hierfür schien sehr überzeugend: Dreiwertige magnetische Elemente steuern wie Bismut drei Elektronen für die chemische Bindung bei und die daraus resultierende chemische Gleichwertigkeit führt diese Elemente auf Bismut-Plätze im Kristallgitter. Das ist bei Mangan nun anders, da es nur zweiwertig ist und damit nicht gut auf  Bismut-Plätze passt. Deshalb strukturiert sich das System offenbar radikal um und schafft dort, wo Mangan eingebaut wird, eine zusätzliche neue Doppellage aus Mangan und Tellur Atomen, die in der Mitte der ursprünglich fünflagigen Schichten eingebaut wird. „So entsteht – selbstorganisiert -  eine Überstruktur, in der eine große magnetische Energielücke  auftreten kann“, erklärt Rader.

Ausblick auf Q-Bits

Wenn man diese Selbstorganisationsphänomene gezielt ausnutzt, ergeben sich ganz neue Möglichkeiten, magnetische topologische Materialien zusammenzusetzen, so Springholz. Prinzipiell ist die gemessene Lücke sogar bereits so groß, dass sie in entsprechenden Bauteilen einen QAHE in der Nähe der Raumtemperatur ermöglichen sollte. Hierfür sind allerdings noch andere Parameter zu optimieren. Ein solcher magnetischer topologischer Isolator könnte es erlauben, in Verbindung mit einem Supraleiter eine Recheneinheit (Q-Bit) eines topologischen Quantencomputers zu realisieren.

Nature (2019): Large magnetic gap at the Dirac point in Bi₂Te₃/MnBi₂Te₄ heterostructures. E. D. L. Rienks, S. Wimmer, J. Sánchez-Barriga, O. Caha, P. S. Mandal, J. Růžička, A. Ney, H. Steiner, V. V. Volobuev, H. Groiss, M. Albu, G. Kothleitner, J. Michalička, S. A. Khan, J. Minár, H. Ebert, G. Bauer, F. Freyse, A. Varykhalov, O. Rader &
G. Springholz

DOI: 10.1038/s41586-019-1826-7