Aktuelles: Quantenphysik – oberfl?chlich betrachtet

Weltweit werden in der Physik Festk?rper einer neuen Materialklasse erforscht, die als topologische Isolatoren bezeichnet werden. W?hrend das Innere eines topologischen Isolators isolierend ist, befinden sich auf dessen Oberfl?che leitende Elektronen mit au?ergew?hnlichen Eigenschaften. {web_name}e Elektronen verhalten sich in vielerlei Hinsicht wie ultrarelativistische Teilchen, d.h. wie Teilchen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Das daraus resultierende bemerkenswerte Verhalten der Elektronen berührt nicht nur fundamentale Aspekte der Physik, die im Regensburger Sonderforschungsbereich ?Emergent Relativistic Effects in Condensed Matter“ erforscht werden, sondern birgt Potential für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise in der Elektronik und im Bereich des Quantencomputing.

Eine Gruppe von theoretischen Physikern der Universit?t Regensburg um Prof. Dr. Klaus Richter befasste sich nun mit den besonderen Leitf?higkeitseigenschaften von Nanodr?hten mit konischer Geometrie, die aus topologischen Isolatoren bestehen. Ihre Ergebnisse wurden mit dem Pr?dikat Editors‘ Suggestion versehen im Journal Physical Review Letters ver?ffentlicht. Unter dem Einfluss von Magnetfeldern zeigen derartige kegelf?rmige Nanodr?hte ihr volles Potential: In Magnetfeldern senkrecht zur Drahtachse leiten sie den Strom entlang der Oberfl?che verlustfrei, w?hrend sie sich in starken koaxialen Magnetfeldern wie künstliche Atome verhalten, in denen die Elektronen gebunden sind und nur bestimmte diskrete Energieniveaus einnehmen k?nnen. Letzteres führt zu einer durch Quanteneffekte bestimmten Leitf?higkeit, die – im Widerspruch zum Ohmschen Gesetz – bei bestimmten charakteristischen Energien maximal wird, wie in untenstehender Abbildung gezeigt.

Konische Nanodr?hte bilden den Grundbaustein für komplexere gekrümmte Dr?hte, an denen die Regensburger Wissenschaftler aktuell forschen. Durch ihre enorm vielf?ltigen Leitf?higkeitseigenschaften k?nnten Nanodr?hte aus topologischen Isolatoren einen wichtigen Beitrag zur Forschung in der Grundlagenphysik liefern und zu zukünftigen technologischen Anwendungen führen.
 

Originalpublikation

Raphael Kozlovsky, Ansgar Graf, Denis Kochan, Klaus Richter, and Cosimo Gorini, ?Magnetoconductance, Quantum Hall Effect, and Coulomb Blockade in Topological Insulator Nanocones”, Physical Review Letters (2020).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.126804
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.126804 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)