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Magnetische Energielücken in topologischen Materialien enträtselt

19.12.2019 | News+Stories | Forschung |

Von Christoph Pelzl

Neu entdeckte Eigenschaften magnetisch dotierter topologischer Isolatoren könnten die Entwicklung von Quantencomputern entscheidend beschleunigen. Das an der TU Graz beheimatete Transmissionselektronenmikroskop ASTEM war maßgeblich am Erfolg beteiligt.

Gerald Kothleitner und Mihaela Albu entdeckten mithilfe des ASTEM die molekulare Selbstorganisation von mangandotierten Wismuttellurid-Verbindungen. © ZFE

Topologische Isolatoren sind Materialien, die in ihrem Inneren zwar isolierend sind, an ihren Oberflächen aber elektrischen Strom leiten. Deshalb sind sie in der Elektronik-, Halbleiter- und Computerindustrie sehr gefragt. Besonders interessant werden topologische Isolatoren durch den Einbau magnetischer Fremdatome. Dann leiten sie den Strom an den Rändern der Probe widerstandslos. Diese Eigenschaft könnte für die Signalübertragung in Computern ohne Erhitzung des Materials benutzt werden. In Kombination mit einem Supraleiter wären diese Materialien auch für Recheneinheiten in Quantencomputern verwendbar.

Um magnetisch dotierte topologische Isolatoren für solche Recheneinheiten verwerten zu können, braucht es allerdings noch mehr Wissen über die atomaren Vorgänge im Inneren dieser Materialien. So konnte der quantisierte anomale Hall-Effekt, der für den verlustfreien Stromtransport verantwortlich zeichnet, bislang nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachtet werden. Laut theoretischen Berechnungen sollte er aber auch bei viel höheren Temperaturen auftreten, was entscheidend dafür wäre, dass diese Materialien für Quantencomputer in Betracht kämen. Entscheidend für diese Effekte ist eine magnetische Energielücke innerhalb des Materials, deren Ursprung sich nun durch hochauflösende analytische Messungen festgemacht werden konnte.   

Erfolgreiche institutionsübergreifende Materialforschung

Bei Experimenten mit mangandotierten Wismuttellurid-Verbindungen (Bi2Te3) konnte ein internationales Forschungskonsortium unter der Leitung des Helmholtz-Zentrums Berlin und des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik der Johannes Kepler Universität Linz nun erstmals solche magnetischen Energielücken nachweisen und messen.
Zentral an der Entdeckung beteiligt war Österreichs leistungsfähigstes Elektronenmikroskop ASTEM (Austrian Scanning Transmission Electron Microscope) am Austrian Centre for Electron Microscopy and Nanoanalysis (FELMI-ZFE) – ein Forschungsverbund des Instituts für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz und des Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz (ZFE), das unter dem Dach der Austrian Cooperative Research (ACR) angesiedelt ist.

Keine ungeordnete Dotierung

Der Leiter der Arbeitsgruppe für analytische Transmissionselektronenmikroskopie Gerald Kothleitner und Mihaela Albu, verantwortlich für die Messungen am FELMI-ZFE, erklären: „Mithilfe des ASTEM konnten wir in den behandelten Materialien ein Selbstorganisationsphänomen beobachten. Beim Ausgangsmaterial handelt es sich um fünfteilige Schichten aus Tellur- und Wismut-Atomen. Durch Einbringen von Mangan in die Gitterstruktur entstehen plötzlich siebenlagige Schichten. Das System baut dort, wo Mangan eingebracht wurde, eine zusätzliche elektroneutrale Mangan-Tellur-Schicht ein.“ So entsteht – selbstorganisiert – eine Überstruktur, die magnetische Energielücken ermöglicht.

Das Wissen über diese selbstorganisierenden Prozesse könnte mittel- bis langfristig zu neuen Materialien führen, deren topologischen Eigenschaften sich für Quantencomputing nutzen lassen.

Über das ASTEM

Das ASTEM am Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz wurde im Jahr 2011 in Betrieb genommen. Die vielen analytischen Eigenschaften des Geräts ermöglichen Wissenschafterinnen und Wissenschaftern detaillierte Einblicke in die atomare Ebene eines jeden Materials: von metallischen Legierungssystemen und Leichtmetallstoffen über elektroaktive Polymere und Keramiken bis hin zu Verbundmaterialien und der Halbleiterei. „Nur wenn wir verstehen, was die Welt im Inneren zusammenhält, verstehen wir, wie etwas außen funktioniert und können es technologisch verwerten“, so Kothleitner, für den die Elektronenmikroskopie heute Antworten „auf sehr viele technologischen Fragen der Zukunft liefert.“

Die Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz.

Zur Originalpublikation "Large magnetic gap at the Dirac point in Bi2Te3/MnBi2Te4 heterostructures" in Nature: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1826-7

Information

Der Forschungsverbund FELMI-ZFE ist Teil der EU-weiten Initiative ESTEEM3 (Enabling Science and Technology through European Electron Microscopy), einem Zusammenschluss der führenden Mikroskopiezentren Europas. Ziel dieses Netzwerks ist es, der Wissenschaft und der Industrie den Zugang zu modernsten Transmissionselektronenmikroskopie-Instrumenten zu erleichtern, multilaterale Forschung und das Know-how hinter höchstauflösenden Elektronenmikroskopen weiter voranzutreiben sowie neue Techniken und Materialien zu entwickeln.

Kontakt

Gerald KOTHLEITNER
Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
TU Graz | Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik
Steyrergasse 17/III, 8010 Graz
Tel.: +43 316 873 8336
gerald.kothleitnernoSpam@felmi-zfe.at