Forscher der Cornell University haben mithilfe magnetischer Bildgebung erstmals direkt beobachtet, wie Elektronen in einem speziellen Isolatortyp fließen, und dabei festgestellt, dass der Transportstrom durch das Innere des Materials fließt und nicht an den Rändern entlang, wie Wissenschaftler lange angenommen haben.

Die Entdeckung wirft Licht auf die Elektronendynamik in quantenanomalen Hall-Isolatoren und trägt dazu bei, eine jahrzehntelange Debatte darüber zu lösen, wie Strom in allgemeineren Quanten-Hall-Isolatoren fließt. Diese Erkenntnisse werden in die Entwicklung topologischer Materialien für Quantengeräte der nächsten Generation einfließen.

Der Artikel des Forschungsteams wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht. Der Erstautor des Artikels ist Matt Ferguson, ein Ph.D. seit 22 Jahren und derzeit Postdoktorand am Max-Planck-Institut für chemische Festkörperphysik in Deutschland.

Quanten-Hall-Effekt

Das Projekt unter der Leitung von Katja Nowack, Assistenzprofessorin für Physik am College of Arts and Sciences und leitende Autorin des Artikels, entstand aus dem sogenannten Quanten-Hall-Effekt. Der erstmals 1980 entdeckte Quanten-Hall-Effekt verursacht ein ungewöhnliches Phänomen, wenn ein Magnetfeld auf ein bestimmtes Material einwirkt: Das Innere einer großen Probe wird zum Isolator, während sich elektrischer Strom entlang der Außenkante in eine Richtung bewegt. Der Widerstand wird auf einen Wert quantisiert oder beschränkt, der durch eine fundamentale universelle Konstante definiert wird, und fällt auf Null.

Quantenanomale Hall-Isolatoren, erstmals 2013 entdeckt, erzielen den gleichen Effekt durch die Verwendung magnetisierter Materialien. Die Quantisierung findet immer noch statt, der Längswiderstand verschwindet und Elektronen beschleunigen entlang der Kante, ohne Energie zu verbrauchen, ähnlich wie bei einem Supraleiter.

Brechen Sie populäre Vorstellungen

„Das Bild des entlang einer Kante fließenden Stroms ist eine gute Erklärung dafür, wie die Quantisierung erfolgt. Aber es stellt sich heraus, dass dies nicht das einzige Bild ist, das die Quantisierung erklären kann“, sagte Novak. „Dieses Randbild dominiert seit dem spektakulären Aufstieg topologischer Isolatoren zu Beginn dieses Jahrhunderts. Die Komplexität lokaler Spannungen und lokaler Ströme wurde weitgehend vergessen. Tatsächlich können diese Situationen viel komplexer sein, als das Randbild vermuten lässt.“

Derzeit sind nur wenige Materialien als quantenanomale Hall-Isolatoren bekannt. In ihrer neuen Arbeit konzentrierte sich Nowaks Team auf mit Chrom dotiertes Wismutantimontellurid – dieselbe Verbindung, bei der vor einem Jahrzehnt erstmals beobachtet wurde, dass sie den quantenanomalen Hall-Effekt aufweist.

Die Probe wurde von Mitarbeitern unter der Leitung des Penn State-Physikprofessors Nitin Samart gezüchtet. Um das Material zu scannen, verwendeten Nowak und Ferguson das Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) ihres Labors, einen äußerst empfindlichen Magnetfeldsensor, der bei kryogenen Temperaturen arbeiten und die beängstigend kleinen Magnetfelder erkennen kann. SQUID bildet effektiv den Stromfluss (der für das Magnetfeld verantwortlich ist) ab und kombiniert diese Bilder dann, um die Stromdichte zu rekonstruieren.

„Die von uns untersuchten Ströme waren sehr, sehr klein und daher schwer zu messen“, sagte Novak. „Wir brauchten eine gute Quantifizierung der Probe bei Temperaturen unter einem Kelvin. Ich bin stolz, dass uns das gelungen ist.“

Entdeckung und zukünftige Auswirkungen

Als die Forscher bemerkten, dass Elektronen in der Masse des Materials und nicht an den Rändern flossen, begannen sie, frühere Erkenntnisse zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass es in den Jahren nach der ersten Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts im Jahr 1980 viele Debatten darüber gab, wo der Elektronenfluss stattfand, eine Debatte, die den meisten jungen Materialwissenschaftlern nicht bewusst war.

„Ich hoffe, dass die neue Generation, die sich mit topologischen Materialien beschäftigt, diese Arbeit zur Kenntnis nimmt und die Debatte neu eröffnet. Es ist klar, dass wir einige sehr grundlegende Aspekte dessen, was in topologischen Materialien passiert, noch nicht einmal verstehen“, sagte sie. „Wenn wir nicht verstehen, wie Strom fließt, was wissen wir dann wirklich über diese Materialien?

Die Beantwortung dieser Fragen könnte auch für die Herstellung komplexerer Geräte relevant sein, beispielsweise für Hybridtechniken, bei denen Supraleiter mit quantenanomalen Hall-Isolatoren gekoppelt werden, um exotischere Materiezustände zu erzeugen.

„Mich würde interessieren, ob die von uns beobachteten Phänomene auf verschiedene Materialsysteme zutreffen. Vielleicht fließt der Strom in manchen Materialien anders“, sagte Novak. „Für mich unterstreicht dies die Faszination topologischer Materialien – ihr Verhalten bei elektrischen Messungen wird durch sehr allgemeine Prinzipien bestimmt, unabhängig von mikroskopischen Details. Allerdings ist es entscheidend zu verstehen, was auf der mikroskopischen Skala geschieht, sowohl für unser grundlegendes Verständnis als auch für Anwendungen. Dieses Zusammenspiel allgemeiner Prinzipien und Nuancen macht die Untersuchung topologischer Materialien so faszinierend und faszinierend.“