TU Dresden/Leibniz-Institut Graphen-ähnliches Material, nur besser

Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) in Dresden haben ein neues Material synthetisiert, das in seinem atomaren Aufbau an Graphen erinnert, damit die Vorteile von Graphen hat, ohne die Nachteile mit sich zu bringen:

Das neue Material besteht aus Wismut, leitet den elektrischen Strom an der Oberfläche fast ungehindert, ist im Inneren aber ein elektrischer Isolator und damit ein so genannter topologischer Isolator. Ein solches Material ist hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften also weder Leiter noch Isolator. Interessant an den topologischen Isolatoren ist, dass elektrischer Strom auf dieser Oberfläche schwer durch äußere Einflüsse gestört werden kann. Experten sehen aufgrund dieser Eigenschaft großes Potenzial für die Anwendung von topologischen Isolatoren in energieeffizienten nanoelektronischen Transistoren, Speicherbausteinen und Sensoren der Zukunft.

Bei Graphen bilden die Kohlenstoffatome eine bienenwabenartige zweidimensionale Schicht bilden, bei dem neuen Material sind es Würfel aus Wismut-Atomen, die dieses Muster formen. »Graphen wurde lange als Musterbeispiel eines topologischen Isolators gehandelt, doch kann man daran diesen Effekt nur bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beobachten«, erläutert Professor Dr. Michael Ruck vom Institut für Anorganische Chemie an der TU Dresden. »Das von uns entdeckte Material aus Wismutwürfeln ist strukturell und in seinen topologischen Eigenschaften dem Graphen verwandt, hat aber den gravierenden praktischen Vorteil, auch bei Raumtemperatur ein topologischer Isolator zu sein.«

Es gibt aber noch eine weitere Eigenschaft des neuen Materials, das die Forscher für interessant halten: Jedes Elektron besitzt neben seiner Ladung zugleich auch ein magnetisches Moment, den Spin. In einem normalen Metall, wie Kupfer, weisen diese Spins in beliebige Richtungen. Elektronen hingegen, welche sich entlang der Seiten der bienenwabenartigen Schichten in dem neuen Material bewegen, zeigen eine spontane Ausrichtung ihrer Spins. Und wenn diese Elektronen ihre Bewegungsrichtung umkehren, kehrt sich kollektiv auch die Ausrichtung ihrer Spins um. Somit haben Elektronen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, auch entgegengesetzte Spin-Orientierungen. Dieser Effekt lässt somit das neue Wismut-basierende Material auch für eine Anwendung in der Spintronik äußerst interessant erscheinen.