Das TEM-Bild zeigt die Überstruktur, die durch Dotierung von Bi2Te3 mit Mangan entsteht: Zwischen den ursprünglich 5-Atom-Layer-Thick-Units (QL) entstehen durch Selbstorganisation neue 7-Atom-Layer-Units, bei denen das Mangan die zentralen Schichten einnimmt . Bildnachweis: G. Springholz / Uni Linz

Neue Experimente mit magnetisch dotierten topologischen Isolatoren bei BESSY II haben mögliche Methoden zur verlustfreien Signalübertragung aufgezeigt, die ein überraschendes Selbstorganisationsphänomen beinhalten. In Zukunft könnten Materialien mit solchen Eigenschaften bei Raumtemperatur entwickelt werden, die beispielsweise als Verarbeitungseinheiten im Quantencomputer eingesetzt werden können. Die Studie wurde in veröffentlicht Natur.

Neue Effekte in der Festkörperphysik werden häufig erst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin oder -273 ° C) entdeckt. Weitere Forschungen können dann bestimmen, ob und wie diese Phänomene auch bei Raumtemperatur induziert werden können. Vor mehr als 100 Jahren wurde in Quecksilber zunächst Supraleitung unter 4 Kelvin beobachtet. Heutzutage gibt es viele Hochtemperatursupraleiter, die elektrischen Strom ohne Widerstandsverluste bei Temperaturen von 138 Kelvin oder sogar 200 Kelvin leiten (der Rekord von H2S).

Der Quantised Anomalous Hall Effect (QAHE) wurde 2013 erstmals in einem magnetisch dotierten topologischen Isolator unter 50 Millikelvin beobachtet. Ähnlich wie bei der Supraleitung ermöglicht dieser Effekt einen verlustfreien Ladungstransport innerhalb dünner Randkanäle der Proben. Inzwischen haben Forscher die maximale Temperatur, bei der der Effekt beobachtet werden kann, auf etwa 1 Kelvin erhöht.

Aufgrund theoretischer Überlegungen sollte die QAHE jedoch bei viel höheren Temperaturen auftreten. Es ist also ein Rätsel, warum dies nicht geschieht. Ein kritischer Parameter ist die magnetische Energielücke der Probe, die noch nie gemessen wurde. Je größer dieser Spalt ist, desto stabiler sollte der Effekt gegenüber dem Einfluss der Temperatur sein.

Ein internationales Team um den HZB-Physiker Prof. Dr. Oliver Rader und Prof. Dr. Gunther Springholz von der Universität Linz hat den Durchbruch geschafft. Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie mit Synchrotronstrahlung von BESSY II konnten sie erstmals die Energielücke in einer solchen Probe messen. Zu diesem Zweck wurde der ARPES1cube verwendet, um extrem niedrige Temperaturen zu erreichen. Die Forscher nutzten die neue Spin-Resolution-Fähigkeit des russisch-deutschen Labors bei BESSY II. Überraschenderweise war die Lücke tatsächlich fünfmal größer als theoretisch vorhergesagt.

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Die Wissenschaftler fanden auch einen einfachen Grund für dieses Ergebnis: „Wir wissen jetzt, dass Mangandotierung nicht ungeordnet abläuft. Im Gegenteil, es kommt zu einer Schichtung, die als Überstruktur im Material bezeichnet wird – Schichten ähnlich einem Blätterteig.“ Springholz. „Durch die Zugabe einiger Prozent Mangan werden abwechselnde Einheiten von sieben und fünf Schichten erzeugt. Dadurch wird das Mangan bevorzugt in den Sieben-Schichten-Einheiten enthalten und kann so die Energielücke viel effektiver erzeugen.“

Rückblickend sagt Rader, dass die Vorstellungen der Forscher beim Einsatz von Dotierstoffen bisher nicht weit genug gegangen sind. Sie verwendeten dreiwertige Elemente wie Chrom und Vanadium, die magnetische Eigenschaften aufweisen, um das Wismut in Wismuttellurid (Bi2Te3), wobei sich die Dotieratome in einem ungeordneten Zustand befinden. Der Grund dafür schien sehr überzeugend: Dreiwertige magnetische Elemente tragen drei Elektronen zu chemischen Bindungen bei und ihre chemische Wertigkeit führt diese Elemente zu den Wismutstellen.

Bei Mangan ist die Situation anders. Da Mangan zweiwertig ist, passt es nicht wirklich gut in die Wismutstellen. Dies ist offensichtlich der Grund, warum das System radikal umstrukturiert wird und eine neue Doppelschicht von Atomen erzeugt, in die Mangan zweiwertig eingebaut werden kann. „Auf diese Weise entsteht auf selbstorganisierte Weise eine Struktur, in der Mangan die große magnetische Energielücke erzeugen kann“, erklärt Rader.

Werden diese Selbstorganisationsphänomene gezielt ausgenutzt, können laut Springholz völlig neue Konfigurationen für magnetisch-topologische Materialien entstehen. Grundsätzlich ist der jetzt gemessene Spalt bereits so groß, dass sich aus entsprechenden Bauteilen ein raumtemperaturnaher QAHE aufbauen lässt. Andere Parameter müssen jedoch noch verbessert werden. Ein solcher magnetischer topologischer Isolator in Kombination mit einem gewöhnlichen Supraleiter könnte auch die Realisierung einer Quantenverarbeitungseinheit (Qbit) für einen Quantencomputer ermöglichen.

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