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Neues Quantenmaterial Topologischer Isolator: Einkristall leitet nur auf Oberfläche Strom

| Autor / Redakteur: Dr. Carola Langer* / Christian Lüttmann

In Kristallen herrscht Ordnung: Jedes Atom hat seinen Platz im Gitter. Dadurch sind die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Kristalls definiert. Will man diese ändern, kann man entweder andere Atome in das Gitter einbauen – oder man sucht eine gänzlich neue, reine Kristallstruktur. Letzteres hat ein internationales Forscherteam gemacht und Kristalle mit speziellen elektrischen und magnetischen Eigenschaften gezüchtet.

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Einkristall des Materials Mangan-Wismut-Tellurid von knapp einem Millimeter Länge. Es ist der erste antiferromagnetische topologische Isolator.
Einkristall des Materials Mangan-Wismut-Tellurid von knapp einem Millimeter Länge. Es ist der erste antiferromagnetische topologische Isolator.
(Bild: A. Isaeva, TU Dresden/IFW Dresden )

Dresden – Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2009 sind topologische Isolatoren ein lukratives Forschungsthema in der Materialphysik. Das Besondere an ihnen ist, dass sie gleichzeitig als Isolatoren und als elektrische Leiter agieren können: Während im Inneren der Kristalle ein elektrisch isolierender Zustand herrscht, sind die Kristalloberflächen leitend.

Das große wissenschaftliche Interesse an topologischen Isolatoren rührt von neuen Quantenzuständen, die in dieser Materialklasse zu beobachten sind. Als eine Art Brutstätte für neuartige Quasiteilchen und exotische Quantenphänomene sind sie sowohl für die theoretische Beschreibung als auch für die Synthese und experimentelle Untersuchung interessant.

Magnetisch und topologisch in Reinform

Nun haben Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung sowie der Technischen Universität Dresden erstmals ein neues Material synthetisiert, das magnetische und topologische Eigenschaften aufweist – und zwar von sich aus, ohne zusätzliche Dotierung mit Fremdatomen. Die gezüchteten Einkristalle aus Mangan-Bismut-Tellurid entstanden mithilfe einer neu entwickelten Technik.

Wie die Forscher in ihrer Studie berichten, ähnelt die Substanz strukturell dem Klassiker der topologischen Isolatoren – Bismut-Tellurid –, weist jedoch zusätzlich ein periodisches Untergitter von Mangan-Atomen auf. Bei einer Temperatur von unter 24 Kelvin (also -249 °C) bilden diese Mangan-Atome ein geordnetes dreidimensionales, magnetisches Gitter.

Stabile magnetische Ordnung

Mithilfe von winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie entschlüsselten die Kristallographen die Struktur des Materials. So bestätigten sie, dass es der erste antiferromagnetische topologische Isolator unterhalb seiner Néel-Temperatur ist, also dem Temperaturbereich, in dem der Antiferromagnetismus nicht durch thermische Effekte zerstört wird, sondern sich eine langreichweitige magnetische Ordnung etabliert.

Mangan-Bismut-Tellurid eröffnet als topologischer Isolator damit die Möglichkeit, auf die Dotierung und auf starke externe Magnetfelder zu verzichten, da der Magnetismus bereits intrinsisch in der stöchiometrischen Verbindung angelegt ist. Damit ist die Substanz den Forscher zufolge für Anwendungen in der Spintronik, für zweidimensionalen Magnetismus und Quantentransport besonders interessant.

Originalpublikation: M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann, D. Estyunin, A. Zeugner, Z. S. Aliev, S. Gaß, A. U. B. Wolter, A. V. Koroleva, A. M. Shikin, M. Blanco-Rey, M. Hoffmann, I. Rusinov, A. Yu. Vyazovskaya, S. V. Eremeev, Yu. M. Koroteev, V. Kuznetsov, F. Freyse, J. Sanchez-Barriga, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, N. T. Mamedov, N. A. Abdullayev, V. N. Zverev, A. Alfonsov, V. Kataev, B. Büchner, E. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, L. Petaccia, G. Di Santo, R. C. Vidal, S. Schatz, K. Kißner, M. Ünzelmann, C.-H. Min, S. K. Moser, T. R. F. Peixoto, F. Reinert, A. Ernst, P. M. Echenique, A. Isaeva, E. V. Chulkov: Prediction and observation of the first antiferromagnetic topological insulator, Nature 576, pages 416–422 (2019). DOI 10.1038/s41586-019-1840-9

* Dr. C. Langer, IFW Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung, 01069 Dresden

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