Der Strom nimmt im Quantenmaterial einen überraschenden Weg

Cornell-Forscher nutzten magnetische Bildgebung, um erstmals direkt zu visualisieren, wie Elektronen in einem speziellen Isolatortyp fließen. Dabei entdeckten sie, dass sich der Transportstrom durch das Innere des Materials bewegt und nicht an den Rändern, wie Wissenschaftler es lange Zeit getan hatten vermutet.

Der Befund liefert neue Einblicke in das Elektronenverhalten in sogenannten quantenanomalen Hall-Isolatoren und sollte dazu beitragen, eine jahrzehntelange Debatte darüber beizulegen, wie Strom in allgemeineren Quanten-Hall-Isolatoren fließt. Diese Erkenntnisse werden in die Entwicklung topologischer Materialien für Quantengeräte der nächsten Generation einfließen.

Die Arbeit des Teams mit dem Titel „Direct Visualization of Electronic Transport in a Quantum Anomalous Hall Insulator“ wurde am 3. August in Nature Materials veröffentlicht. Der Hauptautor ist Matt Ferguson, Ph.D. '22, derzeit Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Deutschland.

Das Projekt unter der Leitung von Katja Nowack, Assistenzprofessorin für Physik am College of Arts and Sciences und leitende Autorin des Artikels, hat seinen Ursprung im sogenannten Quanten-Hall-Effekt. Dieser 1980 erstmals entdeckte Effekt entsteht, wenn ein Magnetfeld an ein bestimmtes Material angelegt wird, um ein ungewöhnliches Phänomen auszulösen: Das Innere der Massenprobe wird zu einem Isolator, während sich entlang der Außenkante ein elektrischer Strom in eine einzige Richtung bewegt. Die Widerstände werden auf einen durch die grundlegende universelle Konstante definierten Wert quantisiert oder beschränkt und fallen auf Null.

Ein 2013 erstmals entdeckter quantenanomaler Hall-Isolator erzielt den gleichen Effekt durch die Verwendung eines magnetisierten Materials. Die Quantisierung findet immer noch statt und der Längswiderstand verschwindet, und die Elektronen rasen entlang der Kante, ohne Energie zu verbrauchen, ähnlich wie bei einem Supraleiter.

Zumindest ist das die landläufige Vorstellung.

„Das Bild, in dem der Strom entlang der Kanten fließt, kann wirklich gut erklären, wie man diese Quantisierung erhält. Aber es stellt sich heraus, dass es nicht das einzige Bild ist, das die Quantisierung erklären kann“, sagte Nowack. „Dieses Kantenbild ist seit dem spektakulären Aufstieg topologischer Isolatoren ab Anfang der 2000er Jahre wirklich das vorherrschende. Die Feinheiten der lokalen Spannungen und lokalen Ströme sind weitgehend vergessen. In Wirklichkeit können diese viel komplizierter sein, als das Randbild vermuten lässt.“

Es ist bekannt, dass nur eine Handvoll Materialien quantenanomale Hall-Isolatoren sind. Für ihre neue Arbeit konzentrierte sich Nowacks Gruppe auf mit Chrom dotiertes Wismut-Antimon-Tellurid – dieselbe Verbindung, in der der quantenanomale Hall-Effekt erstmals vor einem Jahrzehnt beobachtet wurde.

Die Probe wurde von Mitarbeitern unter der Leitung des Physikprofessors Nitin Samarth von der Pennsylvania State University gezüchtet. Um das Material zu scannen, verwendeten Nowack und Ferguson das supraleitende Quanteninterferenzgerät (SQUID) ihres Labors, einen äußerst empfindlichen Magnetfeldsensor, der bei niedrigen Temperaturen arbeiten kann, um beängstigend kleine Magnetfelder zu erkennen. Das SQUID bildet effektiv die Stromflüsse ab, die das Magnetfeld erzeugen, und die Bilder werden kombiniert, um die Stromdichte zu rekonstruieren.

„Die Strömungen, die wir untersuchen, sind wirklich sehr, sehr klein, daher ist es eine schwierige Messung“, sagte Nowack. „Und wir mussten die Temperatur unter ein Kelvin senken, um eine gute Quantisierung in der Probe zu erreichen. Ich bin stolz, dass uns das gelungen ist.“

Als die Forscher bemerkten, dass die Elektronen in der Masse des Materials und nicht an den Grenzkanten strömten, begannen sie, alte Studien zu durchforsten. Sie fanden heraus, dass es in den Jahren nach der ursprünglichen Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts im Jahr 1980 viele Debatten darüber gab, wo der Fluss stattfand – eine Kontroverse, die den meisten jüngeren Materialwissenschaftlern unbekannt war, sagte Nowack.

„Ich hoffe, dass die neuere Generation, die sich mit topologischen Materialien beschäftigt, diese Arbeit zur Kenntnis nimmt und die Debatte neu eröffnet. Es ist klar, dass wir einige sehr grundlegende Aspekte dessen, was in topologischen Materialien passiert, noch nicht einmal verstehen“, sagte sie. „Wenn wir nicht verstehen, wie der Strom fließt, was verstehen wir dann eigentlich über diese Materialien?“

Die Beantwortung dieser Fragen könnte auch für den Bau komplizierterer Geräte relevant sein, etwa für Hybridtechnologien, die einen Supraleiter mit einem quantenanomalen Hall-Isolator koppeln, um noch exotischere Materiezustände zu erzeugen.

„Ich bin gespannt, ob das, was wir beobachten, für verschiedene Materialsysteme gilt. „Es könnte sein, dass in manchen Materialien der Strom noch anders fließt“, sagte Nowack. „Für mich unterstreicht dies die Schönheit topologischer Materialien – ihr Verhalten bei einer elektrischen Messung wird durch sehr allgemeine Prinzipien bestimmt, unabhängig von mikroskopischen Details. Dennoch ist es sowohl für unser grundlegendes Verständnis als auch für unsere Anwendungen von entscheidender Bedeutung zu verstehen, was auf der mikroskopischen Skala geschieht. Dieses Zusammenspiel von allgemeinen Prinzipien und den feineren Nuancen macht das Studium topologischer Materialien so fesselnd und faszinierend.“

Zu den Co-Autoren gehören der Doktorand David Low; und die Penn State-Forscher Nitin Samarth, Run Xiao und Anthony Richardella.

Die Forschung wurde in erster Linie vom Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering, des US-Energieministeriums unterstützt.

Das Materialwachstum und die Probenherstellung wurden vom 2D Crystal Consortium – Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) in Penn State unterstützt, das von der National Science Foundation finanziert wird.

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