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Bildrechte: ct.qmat

Physiker des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter haben ein neues Quantenmaterial erfunden und hergestellt. Es könnte künftig bei der Kühlung von kleiner Alltagselektronik helfen.

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Dreieckwaben kühlen Handys – Quantenforschung der Uni Würzburg

Physiker der Uni Würzburg haben zusammen mit Forschenden aus Dresden ein neues Quantenmaterial mit Supereigenschaften erfunden und hergestellt. Es könnte künftig auch in Smartphones verwendet werden.

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Von
  • Ansgar Nöth

Wissenschaftler des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter – haben ein neues Quantenmaterial erfunden und hergestellt: "Indenen" besteht aus einer einzelnen Atom-Lage des chemischen Elements Indium und gehört zur Materialklasse sogenannter topologischer Isolatoren.

Kühlung ist ein Problem der Alltagselektronik

Smartphones, Notebooks und Tablets werden seit Jahren immer leistungsfähiger. Die rasante Entwicklung ist nur möglich durch immer kleiner werdende Bauteile. Aber: Dieser Fortschritt ist begrenzt, denn die immer höhere Leistung auf kleinerer Fläche führt auch dazu, dass die Handys zum Beispiel schneller heiß werden.

Topologische Isolatoren – Halbleiter für die Zukunft

Topologische Isolatoren könnten da helfen. Anders als bei herkömmlichen Isolatoren bewegen sich Elektronen nur auf dem Rand des Materials, dadurch erwärmen sich die Bauteile nicht so stark. Laurens Molenkamp, Würzburger Physiker und Mitglied des Exzellenzclusters, hat 2007 das erste topologische Quantenmaterial nachgewiesen und damit einen weltweiten Forschungsboom ausgelöst.

Wabenstruktur in Dreiecksform

Der Durchbruch bei dem aktuellen Material war, aus einer einzigen hauchdünnen Lage von Indium-Atomen eine dreieckige Wabenstruktur maßzuschneidern. Fließt dann Strom, halten sich die Elektronen in den Hohlräumen zwischen diesen Waben auf Das Material selbst wird gar nicht durchdrungen und damit auch nicht erwärmt. Anders als etwa der immer wieder zitierte Wunderwerkstoff "Graphen" benötigt das "Indenen" der Würzburger Forscher keine Abkühlung auf ultratiefe Temperaturen, um seine besonderen Eigenschaften als topologischer Isolator nutzbar zu machen. Zudem kann das einfache Dreiecksgitter auch als großer zusammenhängender Bereich hergestellt werden.

Einfache Struktur bringt bahnbrechende Lösung

"Wir waren schon verblüfft, dass eine so einfache Atomstruktur topologische Eigenschaften zeigen kann. Dies ist ein wesentlicher Vorteil für die Erzeugung perfekter Indenen-Filme, wie man sie zur Nanoproduktion elektronischer Bauteile benötigt", bewertet der Sprecher der Würzburger Forschergruppe, Ralph Claessen, das Forschungsergebnis. Weil die Struktur auf Siliziumkarbid als Trägermaterial erzeugt wird, kann auch an bewährte Halbleitertechnologien auf Siliziumbasis angedockt werden.

Luftkontakt ist ein Problem

Die einfache Struktur von "Indenen" ist aber auch sein Problem: Sobald die einzelne Indium-Atom-Lage mit Luft in Kontakt kommt, verliert das Material seine außergewöhnlichen Eigenschaften. Deswegen entwickeln die Forscher jetzt als nächsten Schritt eine geeignete Schutzschicht.

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