Physiker der Universitäten Jyväskylä und Aalto in Finnland haben einen zweidimensionalen topologischen kristallinen Isolator hergestellt – ein Material, von dem Wissenschaftler seit mehr als zehn Jahren träumten. Sie züchteten einen atomar dünnen Film aus zwei Schichten Zinn(II)-tellurid (SnTe) auf einem Substrat aus Niobdiselenid (NbSe₂). Dies ist die erste experimentelle Realisierung der vorhergesagten Struktur, und sie ebnet den Weg zu Quantenbauelementen, die bei Raumtemperatur funktionieren.
Der Schlüssel zum Erfolg ist die Spannung, die durch die Kompression des Films durch das Substrat entsteht. Genau sie stabilisiert den topologischen Zustand. Im Material entstehen Paare leitender Randzustände, die durch die Symmetrie des Kristallgitters geschützt sind. Die Elektronen bewegen sich an den Rändern verlustfrei, während im Inneren eine große verbotene Zone mit einer Breite von mehr als 0,2 Elektronenvolt erhalten bleibt.
Die Forscher nutzten die Molekularstrahlepitaxie und die Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie, um diese Zustände mit atomarer Genauigkeit sichtbar zu machen. Quantenmechanische Berechnungen bestätigten ihren topologischen Ursprung. Dabei lassen sich die Randzustände durch Veränderung der Verformung abstimmen – dies bietet eine praktische Methode zur Steuerung der elektronischen Eigenschaften.
Die große Breite der verbotenen Zone lässt hoffen, dass die topologischen Eigenschaften sogar bei Raumtemperatur erhalten bleiben. Das Material könnte zu einer Plattform für die Spintronik und für Nano-Bauelemente der Zukunft werden, in denen Quanteneffekte ohne kryogene Kühlung wirken.
Benachbarte Randzustände wechselwirken über elektrostatische Kräfte und quantenmechanisches Tunneln, was ebenfalls untersucht werden konnte. Das Team unter der Leitung von Dozent Kezilbejek Shavulienu veröffentlichte in Zusammenarbeit mit den Professoren Peter Liljeroth und Jose Lado die Ergebnisse in Nature Communications.
Jetzt haben die Physiker eine reale Probe, die sich verformen und abstimmen lässt – ein Schritt hin zur Quantenelektronik, die eines Tages in unseren Geräten stecken wird.
