Was wäre, wenn wir einen Weg fänden, elektrischen Strom ohne Energieverlust fließen zu lassen? Ein vielversprechender Ansatz hierfür ist die Verwendung von Materialien, die als topologische Isolatoren bekannt sind. Man weiß, dass sie in einer (Draht), zwei (Blatt) und drei (Würfel) Dimension existieren; alle mit unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten in elektronischen Geräten.
Theoretische Physiker der Universität Utrecht haben gemeinsam mit Experimentalphysikern der Jiao Tong Universität Shanghai entdeckt, dass topologische Isolatoren auch in der Dimension 1,58 existieren können und dass diese für eine energieeffiziente Informationsverarbeitung genutzt werden könnten. Ihre Studie wurde veröffentlicht in Naturphysik.
Klassische Bits, die Recheneinheiten von Computern, basieren auf elektrischen Strömen: Elektronen laufen 1, keine Elektronen laufen 0. Aus einer Kombination von 0en und 1en lassen sich alle Geräte bauen, die Sie in Ihrem Alltag verwenden, vom Handy bis zum Computer. Beim Laufen treffen diese Elektronen jedoch auf Defekte und Verunreinigungen im Material und verlieren Energie. Das passiert, wenn sich Ihr Gerät erwärmt: Die Energie wird in Wärme umgewandelt, wodurch Ihre Batterie schneller entladen wird.
Ein neuartiger Materiezustand
Topologische Isolatoren sind spezielle Materialien, die einen Stromfluss ohne Energieverlust ermöglichen. Sie wurden erst 1980 entdeckt und für ihre Entdeckung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Sie offenbarte einen neuen Zustand der Materie: Topologische Isolatoren sind innen isolierend, an ihren Rändern fließen jedoch Ströme.
Damit eignen sie sich sehr gut für die Anwendung in Quantentechnologien und könnten den weltweiten Energieverbrauch enorm senken. Es gab nur ein Problem: Diese Eigenschaften wurden nur in Gegenwart sehr starker Magnetfelder und sehr niedriger Temperaturen von etwa minus 270 Grad Celsius entdeckt, was sie für den Einsatz im täglichen Leben ungeeignet machte.
In den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Fortschritte bei der Überwindung dieser Einschränkungen erzielt. Im Jahr 2017 entdeckten Forscher, dass eine zweidimensionale, einatomig dicke Wismutschicht bei Raumtemperatur und ohne Vorhandensein eines Magnetfelds alle richtigen Eigenschaften aufwies. Dieser Fortschritt brachte den Einsatz topologischer Isolatoren in elektronischen Geräten der Realität näher.
Romanesco Brokkoli
Im QuMAT-Konsortium haben theoretische Physiker der Universität Utrecht zusammen mit Forschern der Shanghai Jiao Tong University nun gezeigt, dass viele Zustände ohne Energieverlust irgendwo zwischen einer und zwei Dimensionen existieren könnten. Zum Beispiel bei 1,58 Dimensionen.
Es mag schwierig sein, sich 1,58 Dimensionen vorzustellen, aber die Idee ist vertrauter, als Sie denken. Solche Dimensionen finden sich in fraktalen Strukturen, wie etwa in Ihren Lungen, dem Netzwerk von Neuronen in Ihrem Gehirn oder Romanesco-Brokkoli. Es handelt sich dabei um Strukturen, die anders skaliert sind als normale Objekte, sogenannte „selbstähnliche Strukturen“: Wenn Sie hineinzoomen, sehen Sie immer wieder dieselbe Struktur.
Beste aus beiden Welten
Durch das Züchten eines chemischen Elements (Wismut) auf einem Halbleiter (Indiumantimonid) erhielten die Wissenschaftler in China fraktale Strukturen, die sich bei Variation der Wachstumsbedingungen spontan bildeten. Die Wissenschaftler in Utrecht zeigten dann theoretisch, dass aus diesen Strukturen nulldimensionale Eckmodi und verlustfreie eindimensionale Randzustände hervorgingen.
„Indem wir zwischen die Dimensionen geschaut haben, haben wir das Beste aus zwei Welten gefunden“, sagt Cristiane Morais Smith, die die theoretische Forschung an der Universität Utrecht geleitet hat.
„Die Fraktale verhalten sich bei endlichen Energien wie zweidimensionale topologische Isolatoren und weisen gleichzeitig bei Nullenergie an ihren Ecken einen Zustand auf, der als Qubit, also als Baustein von Quantencomputern, verwendet werden könnte. Damit eröffnet die Entdeckung neue Wege zu den lange ersehnten Qubits.“
Intuition
Interessanterweise war die Entdeckung das Ergebnis eines Bauchgefühls. „Als ich die Shanghai Jiao Tong University besuchte und die von der Gruppe hergestellten Strukturen sah, war ich sehr aufgeregt“, sagt Morais Smith.
„Meine Intuition sagte mir, dass die Strukturen alle die richtigen Eigenschaften aufweisen sollten.“ Anschließend kehrte sie nach Utrecht zurück und diskutierte das Problem mit ihren Studenten, die sehr daran interessiert waren, die Berechnungen durchzuführen. Gemeinsam mit Masterstudent Robert Canyellas, ihrem ehemaligen Doktoranden Rodrigo Arouca (jetzt an der Universität Uppsala) und dem aktuellen Doktoranden Lumen Eek gelang es dem theoretischen Team, die Experimente zu erklären und die neuen Eigenschaften zu bestätigen.
Unbekannte Dimensionen
In einer Folgestudie wird die chinesische Experimentalgruppe versuchen, einen Supraleiter auf der fraktalen Struktur wachsen zu lassen. Diese Fraktale haben viele Löcher, und um viele davon fließen verlustfreie Ströme. Diese könnten zur energieeffizienten Informationsverarbeitung genutzt werden.
Die Strukturen weisen an ihren Ecken außerdem Null-Energie-Modi auf und kombinieren so laut Morais Smith das Beste aus der eindimensionalen und der zweidimensionalen Welt.
„Wenn das funktioniert, könnten noch mehr unerwartete Geheimnisse in der Dimension 1,58 ans Licht kommen“, sagt sie. „Die topologischen Eigenschaften von Fraktalen zeigen deutlich, wie viel Reichtum es bringt, in unerforschte Dimensionen vorzudringen.“
Mehr Informationen:
Canyellas, R. et al. Topologische Rand- und Eckzustände in fraktalen Wismut-Nanostrukturen. Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02551-8, www.nature.com/articles/s41567-024-02551-8