Extrem dünne, perfekte Kristall-Schichten stellen wir atomgenau aus unterschiedlichen Materialien mit Molekularstrahl-Epitaxie her. Die Dicke, Zusammensetzung und Qualität der Schichten kann man mithilfe der Beugung von Röntgenstrahlen oder Elektronenstrahlen bestimmen.
Wir erzeugen und untersuchen auf diese Art „topologische Isolatoren“. Das sind Halbleiter aus schweren Elementen wie Quecksilber, Tellur, Bismut oder Zinn. Sie sind im Inneren isolierend, aber an ihren Oberflächen gibt es metallisch leitende Elektronenzustände.
Bei der Molekularstrahl-Epitaxie werden Atome (gelb, blau) im Vakuum verdampft und diese ordnen sich auf dem Kristall (grau) in atomaren Lagen an.
Perfekte Kristalle beugen einen Elektronenstrahl in ein Linienmuster. Aus dem Abstand der Reflexe eines Röntgenstrahls können die Dicke und Zusammensetzung der Schicht bestimmt werden.
Topologische Isolatoren sind wie eine Keksdose außen leitend und innen isolierend.
Perfekte Kristalle bestehen aus regelmäßig angeordneten Atomen. Um sie herzustellen, braucht es optimale Bedingungen:
Neben diesen aufwändigen Anlagen braucht es auch Geschick: Schaffst du mit dem Kugelmodell den perfekten Kristall zu bauen?
In einer der weltweit größten Ultrahochvakuum-Anlage mit sechs Molekularstrahlepitaxie-Kammern können wir Kristallschichten aus vielen verschiedenen Materialien herstellen.
Mit Elektronenmikroskopie wird die perfekte Kristallstruktur einer nur acht Nanometer dicken Quecksilbertellurid-Schicht in Cadmium-Tellurid sichtbar.
Die Topologie unterscheidet kompakte Körper und Körper mit Löchern: Krapfen und Nussecken haben eine einfache Topologie. Ein Donut (1 Loch) und eine Brezel (3 Löcher) haben nicht-triviale Topologien.
Durch die Kopplung von Impuls und Spin können Elektronen in einer dünnen Schicht eines topologischen Isolators:
Die topologischen Eigenschaften der Elektronen erforschen wir in elektrischen Messungen bei extrem tiefen Temperaturen und sehr hohen Magnetfeldern. Topologische Elektronenzustände könnten in Zukunft genutzt werden für
Die Energie E = v·p der spin-polarisierten Elektronen an der Oberfläche eines topologischen Isolators nimmt linear mit dem Impuls zu. Die Geschwindigkeit ist konstant v = 500 km/s, ähnlich wie bei Licht mit v = 300.000 km/s.
Die Kopplung von Impuls und Spin der Elektronen bewirkt spin-polarisierte Ströme, die nur am Rand einer dünnen Schicht aus topologischem Isolator und ohne Widerstand fließen.
Quantencomputer rechnen mit „Qubits“, unendlich vielen Überlagerungen der Quantenzustände I0> und I1>, während ein klassisches Bit nur entweder 0 oder 1 sein kann.
