RIKEN-Physiker haben zum ersten Mal einen exotischen Quantenzustand in einem Gerät mit einer scheibenähnlichen Geometrie erzeugt, was zeigt, dass Kanten nicht erforderlich sind. Diese Demonstration ebnet den Weg für die Realisierung anderer neuartiger elektronischer Verhaltensweisen. Ihre Ergebnisse werden in veröffentlicht Naturphysik.
Die Physik hat sich längst von den drei klassischen Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig entfernt. Ein besseres theoretisches Verständnis von Quanteneffekten in Kristallen und die Entwicklung fortschrittlicher experimenteller Werkzeuge, um sie zu untersuchen und zu messen, hat eine ganze Reihe exotischer Materiezustände offenbart.
Ein prominentes Beispiel dafür ist der topologische Isolator: eine Art kristalliner Festkörper, der an seiner Oberfläche ganz andere Eigenschaften aufweist als der Rest des Materials. Die bekannteste Manifestation dafür ist, dass topologische Isolatoren an ihrer Oberfläche Strom leiten, in ihrem Inneren jedoch isolieren.
Eine weitere Erscheinungsform ist der sogenannte quantenanomale Hall-Effekt.
Der seit über einem Jahrhundert bekannte konventionelle Hall-Effekt entsteht, wenn ein durch einen Leiter fließender elektrischer Strom durch ein rechtwinklig zum Strom angelegtes Magnetfeld von einer geraden Linie abgelenkt wird. Diese Ablenkung erzeugt eine Spannung über dem Leiter (und einen entsprechenden elektrischen Widerstand).
Bei einigen magnetischen Materialien kann dieses Phänomen auch dann auftreten, wenn kein Magnetfeld angelegt wird, was als anomaler Hall-Effekt bezeichnet wird.
„Der anomale Hall-Widerstand kann in topologischen Isolatoren sehr groß werden“, erklärt Minoru Kawamura vom RIKEN Center for Emergent Matter Science. „Bei niedrigen Temperaturen steigt der anomale Hall-Widerstand und erreicht einen Grundwert, während der Widerstand entlang der Stromrichtung Null wird.“ Dies ist der quantenanomale Hall-Effekt, der erstmals vor fast einem Jahrzehnt im Labor beobachtet wurde.
Jetzt haben Kawamura und seine Kollegen einen als Laughlin-Ladungspumpen bekannten Effekt in einem quantenanomalen Hall-Isolator demonstriert.
Das Team stellte eine Donut-förmige Scheibe her, die aus Schichten unterschiedlicher magnetischer topologischer Isolatoren bestand. Anschließend maßen sie, wie der elektrische Strom durch das Gerät auf ein magnetisches Wechselfeld reagierte, das von Metallelektroden an den inneren und äußeren Rundungen des Donuts erzeugt wurde.
Die Forscher beobachteten, dass dieses Feld dazu führte, dass sich an den Enden des Zylinders elektrische Ladung ansammelte. Das ist Ladungspumpen von Laughlin.
Frühere Demonstrationen von quantenanomalen Hall-Isolatoren verwendeten rechteckige Vorrichtungen mit Kanten, die die Elektroden verbinden. Und es wurde angenommen, dass elektronische Zustände in diesen Kanten entscheidend für die Unterstützung des quantenanomalen Hall-Isolators waren.
Aber die Entdeckung des Teams widerlegt diese Annahme. „Unsere Demonstration des Laughlin-Ladungspumpens in einem quantenanomalen Hall-Isolator verwendet ein scheibenförmiges Gerät ohne Kantenkanäle, das die beiden Elektroden verbindet“, sagt Kawamura. „Unser Ergebnis eröffnet die Möglichkeit, dass andere spannende elektronische Phänomene in quantenanomalen Hall-Materialien realisiert werden können.“
Mehr Informationen:
Minoru Kawamura et al, Ladungspumpen nach Laughlin in einem quantenanomalen Hall-Isolator, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2