Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/materialforschung-stanen-ein-neues-wundermaterial-1802-132599.html    Veröffentlicht: 14.02.2018 09:59    Kurz-URL: https://glm.io/132599

Materialforschung

Stanen - ein neues Wundermaterial?

Vor einigen Jahren haben Forscher erstmals Stanen erzeugt und festgestellt, dass das zweidimensionale Zinn ein guter elektrischer Leiter ist. Inzwischen hat sich gezeigt, dass das Material weitere Eigenschaften hat, derentwegen es sich für elektronische Bauteile eignet.

Seit dem Nobelpreis für Physik 2016 an David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz für ihre grundegenden theoretischen Arbeiten zu topologischen Phasenübergängen und topologischen Phasen der Materie explodiert die Forschung auf diesem Gebiet geradezu. Im Fokus stehen dabei unterschiedliche Eigenschaften, die es ermöglichen, neuartige elektronische Komponenten zu konstruieren.

Ein topologischer Isolator ist etwa ein Material, das im Innern keinen elektrischen Strom leitet, an der Oberfläche allerdings schon. Topologische Supraleiter wiederum sind Stoffe, die widerstandsfrei Strom leiten - so wie normale Supraleiter. Aufgrund topologischer Eigenschaften ist ihre Supraleitfähigkeit besonders geschützt, sowohl vor äußeren Störeinflüssen als auch gegenüber Defekten im Material selbst. Ausgerechnet Zinn zeigt nun vielversprechende Eigenschaften.

Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt belegt Supraleitfähigkeit

Für die Erforschung der Supraleitung ist das Element Zinn ein besonderer Stoff. Im Jahr 1933 entdeckten die deutschen Physiker Walther Meißner und Robert Ochsenfeld an einer Zinnprobe den später nach ihnen benannten Meißner-Ochsenfeld-Effekt, demzufolge Supraleiter ein von außen angelegtes Magnetfeld aus ihrem Inneren verdrängen. Der Nachweis dieses Effekts gilt heute noch als Schlüsselexperiment zum sicheren Beleg der Supraleitfähigkeit eines Materials.

Seit einigen Jahren steht Zinn wieder im Fokus der Materialforscher: Denn ähnlich wie sich aus atomar dünnen Kohlenstofflagen das Wundermaterial Graphen herstellen lässt, so lässt sich auch Zinn in ultradünne Lagen bringen. Diese Form von Zinn heißt Stanen und bringt ebenso wie Graphen eine Reihe erstaunlicher Eigenschaften mit sich: Es ist sehr robust und liegt in hexagonaler Honigwabenstruktur vor. Die Atome im Stanen liegen allerdings nicht völlig eben wie bei Graphen, sondern sind leicht nach oben und unten verschoben.

Stanen soll interessante Eigenschaften haben

Die Forschung mit Stanen ist noch nicht so weit fortgeschritten wie die mit Graphen, allerdings haben Theoretiker eine Reihe interessanter Eigenschaften vorhergesagt, die derzeit experimentell gesucht werden. Hierzu gehört vor allem, dass Stanen ein topologischer Isolator sein soll, und dass man den sogenannten Quanten-Hall-Effekt an Stanen finden sollte.

Laut einigen theoretischen Berechnungen könnte Stanen sogar bei Raumtemperatur ein topologischer Isolator sein. Experimentell ließ sich dies bislang jedoch noch nicht bestätigen. Der Quanten-Hall-Effekt wiederum ist nicht nur für die Festkörperphysik bedeutend. Solche Materialien könnten auch praktisch reibungsfreie Leitungskanäle bereitstellen, was das Abwärmeproblem in elektronischen Bauteilen deutlich verringert.

Dreilagiges Stanen ist supraleitfähig

Auf der Suche nach diesen exotischen Eigenschaften entdeckte ein internationales Forscherteam nun eine weitere Eigenschaft von Stanen. Das Team um Qi-Kun Xue vom State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics der Pekinger Tsinghua University fand heraus, dass dreilagiges Stanen supraleitfähig ist. Einlagiges Stanen verhielt sich hier unauffällig. Wenn Stanen in wenigen atomaren Lagen vorliegt, bilden sich jedoch neue elektronische Bänder aus, die bei tiefen Temperaturen Supraleitung ermöglichen.

Normales Zinn liegt je nach Kristallstruktur in unterschiedlichen möglichen Konfigurationen vor, bei Raumtemperatur etwa als α-Zinn ("graues Zinn") mit kubischem Diamantgitter oder als β-Zinn ("weißes Zinn") mit oktaedrischem Kristallgitter. Zinn ist als Volumenmaterial bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt supraleitend, aber nur in der weißen β-Phase. Das graue α-Zinn zeigt keine Supraleitung. Da Stanen strukturell der α-Phase entspricht, würde man eigentlich keine Supraleitfähigkeit erwarten.

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.

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.  (die)


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