Neue Chips: Zinn bringt Elektronen in Gleichschritt

In topologischen Isolatoren trennen sich die Elektronen von allein nach ihrer jeweiligen Spinausrichtung. "Diese Eigenschaft ist von weitreichender Bedeutung", erklärte Ralph Claessen vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg. "Wenn man topologische Isolatoren mit elektrischen Kontakten versieht, kann man daraus Schaltkreise bauen, die mit der Spinrichtung kodierte Informationen weiterleiten." Das geht schneller und zuverlässiger als durch den Transport elektrischer Ladungen.

Entsprechende Isolatoren gab es bisher nur aus komplizierten chemischen Verbindungen oder umweltschädlichen Materialien. Den Würzburger Physikern ist es jetzt erstmals gelungen, diese aus Zinn herzustellen - also einem einfach verfügbaren Material. Ihre Arbeitsergebnisse haben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

In den Experimenten wurden dünne Zinn-Schichten besonders langsam auf einen Halbleiterträger aufgedampft. Dabei bildete sich ein geordnetes Kristallgitter aus Zinn-Atomen. "In den experimentellen Untersuchungen hat sich dann herausgestellt, dass diese Schicht die gesuchten ungewöhnlichen Eigenschaften aufweist: Die Spins der Elektronen sind in zwei Richtungen mit genau umgekehrt stehenden Magnetnadeln sortiert, und die beiden Gruppen bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen", so Schäfer.

Damit konnte erstmals gezeigt werden, dass das Phänomen der automatischen Spintrennung auch in einem simplen, elementaren Kristallgitter existiert. Dadurch sehen die beteiligten Forscher die Herstellung brauchbarer topologischer Isolatoren in greifbare Nähe gerückt. Im nächsten Schritt wollen die Physiker nun das Leitfähigkeitsverhalten von kompletten Strukturen mit elektrischen Kontakten erforschen und optimieren. Außerdem muss daran gearbeitet werden, dass der Effekt auch bei höheren Temperaturen zuverlässig funktioniert und somit auch in der Praxis einsetzbar wird.