Forscher der Universität Twente haben nachgewiesen, dass Germanen, ein zweidimensionales Material aus Germaniumatomen, sich wie ein topologischer Isolator verhält. Es ist der erste topologische 2D-Isolator, der aus einem einzigen Element besteht. Es verfügt außerdem über die einzigartige Fähigkeit, zwischen „Ein“- und „Aus“-Zuständen umzuschalten, vergleichbar mit Transistoren. Dies könnte zu einer energieeffizienteren Elektronik führen.
Topologische Isolatoren sind Materialien mit der einzigartigen Eigenschaft, Elektrizität in ihrem Inneren zu isolieren und an ihren Rändern Elektrizität zu leiten. Die leitfähigen Kanten ermöglichen den Fluss von elektrischem Strom ohne Energieverlust. „Elektronische Geräte verlieren derzeit viel Energie in Form von Wärme, weil Defekte im Material den Widerstand erhöhen. Dadurch kann Ihr Mobiltelefon unangenehm heiß werden“, erklärt UT-Forscher Pantelis Bampoulis.
Während in normalen Materialien Streuung an Defekten zulässig ist, ist an den Rändern topologischer 2D-Isolatoren die Streuung von Elektronen an Defekten aufgrund des einzigartigen topologischen Schutzmechanismus verboten. Daher fließt elektrischer Strom in topologischen 2D-Isolatoren, ohne Energie zu verbrauchen. Dadurch sind sie energieeffizienter als aktuelle elektronische Materialien.
Germanen ist ein solcher topologischer 2D-Isolator. „Aktuelle topologische Isolatoren bestehen aus komplexen Strukturen aus unterschiedlichen Elementtypen. Germanen ist insofern einzigartig, als es aus nur einem einzigen Element besteht“, erklärt Bampoulis. Um dieses spannende Material herzustellen, schmolzen die Forscher Germanium zusammen mit Platin. Beim Abkühlen der Mischung bildete sich auf der Germanium-Platin-Legierung eine winzige Schicht aus Germaniumatomen, die sich in einem Wabengitter anordnete. Diese zweidimensionale Atomschicht wird Germanen genannt.
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die leitenden Eigenschaften des Materials durch Anlegen eines elektrischen Feldes „ausgeschaltet“ werden können. Diese Eigenschaft ist einzigartig für einen topologischen Isolator. „Die Möglichkeit, zwischen ‚Ein‘- und ‚Aus‘-Zuständen zu wechseln, bietet einen spannenden Anwendungsfall für Germanen“, sagt Bampoulis. Es ebnet den Weg für den Entwurf topologischer Feldeffekttransistoren. Diese Transistoren könnten herkömmliche Transistoren in elektronischen Geräten ersetzen. Dadurch erwärmt sich die Elektronik nicht mehr.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
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Pantelis Bampoulis et al., Quantum Spin Hall States and Topological Phase Transition in Germanene, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.196401