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Nachweis der Supraleitung

Das Stanen erzeugten die Forscher per Molekularstrahlepitaxie auf einem dünnen Substrat, das aus Silizium, Bismuttellurid und Bleitellurid aufgebaut war. Die Dicke der verschiedenen Dünnfilmschichten überprüften die Wissenschaftler mittels Rastertunnelmikroskopie.

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Bei sehr tiefen Temperaturen rund um ein Kelvin konnten die Forscher an ihrem Material einen überraschenden Einbruch der Leitfähigkeit messen - ein wichtiger, aber noch nicht entscheidender Hinweis auf die Supraleitfähigkeit. Um diese Eigenschaft sicher festzustellen, wollten sie sehen, ob ihre Probe den Meißner-Ochsenfeld-Effekt aufzeigt und ein äußeres Magnetfeld verdrängt. Hierzu brachten sie ihre Probe zwischen zwei Polschuhe und kühlten sie in einem Helium-3-System herunter. Sollte echte Supraleitung vorliegen, würde das Material die Feldlinien zwischen beiden Polschuhen voneinander abschneiden. Bei 0,7 Kelvin zeigte sich schließlich der erwartete Effekt.

Stanen ist robust

Die Bandstruktur des Materials überprüften die Wissenschaftler mittels Winkel-aufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES - Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy) sowie mit Tieftemperatur-Magneto-Transport-Techniken. Diese Versuche ließen sich an Stanen gut durchführen, denn das Material ist robust und benötigt keine Schutzschicht, die zu Dotierungseffekten, kristallinen Störstellen oder unerwünschtem Magnetismus führen könnte.

Wie diese Messungen ergaben, besitzt einlagiges Stanen keine elektronischen Bänder, die über die Fermi-Kante hinausragen. "Bei mehrlagigem Stanen sehen wir jedoch zusätzliche Bänder, die die Fermi-Kante kreuzen, was zu Leitfähigkeit und darüber hinaus bei tiefen Temperaturen zu Supraleitfähigkeit führt", sagt Ding Zhang von der Tsinghua University.

Stanen könnte für Quantencomputer genutzt werden

Wenn es gelänge, die nun nachgewiesene Supraleitung mit topologischen Eigenschaften zu verbinden, ließe sich eventuell sogar ein Material mit topologischer Supraleitung kreieren. Das würde dann ebenfalls nur bei sehr tiefen Temperaturen funktionieren, wäre aber für Anwendungen im Quantencomputing hochinteressant - etwa für robuste und fehlerresistente Quantenbits.

Andere, vergleichbare Dünnschichtmaterialien wie einlagiges Blei, Indium, Wolfram-Ditellurid oder zweilagiges Gallium sind so zerbrechlich und empfindlich gegenüber äußeren Einwirkungen, dass sie meist mit einer Schutzschicht aus Gold oder Silber überzogen werden müssen, bevor man sie aus ihrer Hochvakuum-Wachstumszelle heraus an den rauen Laboralltag befördert.

Supraleitung bleibt erhalten

Seine Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen macht Stanen hingegen für Anwendungen interessant: Wie die Wissenschaftler berichten, blieb ihre Stanen-Probe auch nach über einem Jahr Lagerung noch supraleitend. Nach ersten Versuchen benötigt Stanen dank seiner zweidimensionalen Struktur und einer starken Spin-Bahn-Kopplung ein relativ starkes Magnetfeld, um die Supraleitung zu unterbinden.

Als nächstes - und wie ursprünglich geplant - wollen die Forscher der Frage nachgehen, ob Stanen wirklich ein topologischer Isolator ist. Unter Umständen hängen die elektronischen Eigenschaften aber stark davon ab, auf was für einem Substrat das Stanen aufgebracht ist. Es könnte sogar sein, dass man hier mit Hilfe von Nano-Lithographie speziell angeordnete Muster benötigt, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

"Eine technische Herausforderung wird auch sein, unser Material auf größeren Wafern wachsen zu lassen", sagt Zhang. Bislang sind die Plättchen nur rund 30 Quadratmillimeter groß. Für Anwendungen im Quantencomputing benötigt man typischerweise Wafer von einigen Quadratzentimetern.

 Materialforschung: Stanen - ein neues Wundermaterial?
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Aki-San 22. Mai 2018

Naja.. im Text werden das "2D Zinn" und das "mehrlagige Zinn" aber durchaus in einen Topf...

Hildeguard 18. Feb 2018

Autsch... 0.7K oder 0.9K oder 0.2K is doch alles wurscht, man kommt heut zu Tage locker...

LadyDie 14. Feb 2018

Das Problem der Quantencomputerei ist es nicht, solch ein Ding ins Wohnzimmer zu...


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