Darstellung des ersten Quanten-Halbleiter-Bauelements, in dem der topologische Skin-Effekt erfolgreich realisiert werden konnte. Der Elektronenfluss (blauer Kreis) am Rand erzeugt eine beispiellose Robustheit gegenüber Materialverformungen und anderen äußeren Einflüssen. Dieser Quanten-Halbleiter ist laut Forschern ein Durchbruch für die Entwicklung winziger topologischer Elektronik-Bauteile. (Bild: Christoph Mäder/pixelwg)
Materialverunreinigungen oder Temperaturschwankungen können den Stromfluss in Halbleiter-Bauelementen stören, dann leidet die Funktionalität des jeweiligen elektronischen Geräts. Jetzt ist es theoretischen und experimentellen Physikern des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter) gemeinsam gelungen, ein Halbleiter-Bauteil aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) zu entwickeln, in dem ein topologisches Quantenphänomen den störanfälligen Elektronenfluss schützt. Die Forschungsergebnisse hat das Fachjournal Nature Physics veröffentlicht.
Dank des topologischen Skin-Effekts können weder Verunreinigungen noch andere äußere Einflüsse die Ströme zwischen den verschiedenen Kontakten auf dem Quanten-Halbleiter stören. Das macht topologische Bauelemente für die Halbleiterindustrie zunehmend interessant. Denn bei der Herstellung kann man auf die extrem hohen Reinheitsgrade vom Material verzichten, die heutige Elektronik so teuer machen. Topologische Quantenmaterialien gelten als äußerst robust und sind dadurch besonders geeignet für leistungshungrige Technologien. Der Quanten-Halbleiter aus AlGaAs ist stabil und hochpräzise zugleich – diese Kombination ist gerade für die Sensortechnik spannend.
Was Sie schon immer über Quantencomputer wissen wollten
Als im Juni 2021 der erste Quantencomputer in Deutschland von IBM eingeweiht wurde, war das Interesse groß. Aber was verbirgt sich hinter der Technologie? Was kann sie eines Tages leisten, woran wird geforscht und wo lauern Gefahren? Das und mehr erfahren Sie hier.
Extrem robust und besonders genau
Durch die Nutzung des topologischen Skin-Effekts sind neuartige, leistungsstarke elektronische Quanten-Bauteile möglich, die noch dazu sehr klein werden können: Der Durchmesser des topologischen Quanten-Bauteils beträgt ungefähr 0,1 mm und lässt sich leicht weiter verkleinern. Der Forschungserfolg besteht darin, den topologischen Skin-Effekt erstmals auf mikroskopischer Ebene in einem Halbleiter-Material umgesetzt zu haben. Auf makroskopischer Ebene ließ sich dieses Quantenphänomen vor drei Jahren erstmals experimentell nachweisen – allerdings nur in einem künstlichen Metamaterial und nicht in einem natureigenen Werkstoff. Erst der aktuelle Forschungsbeitrag führte zu einem winzigen topologischen Quanten-Bauteil auf Halbleiterbasis, das Widerstandsfähigkeit und Sensibilität verbindet.
In dem Quanten-Bauteil ist die Beziehung zwischen Strom und Spannung durch den topologischen Skin-Effekt geschützt, weil sich die Elektronen alle am Rand aufhalten. Selbst bei Verunreinigungen im Halbleiter-Material bleibt der Stromfluss stabil. Gleichzeitig können die Kontakte schon sehr geringe Schwankungen von Strom oder Spannung messen. Damit ist das topologische Quanten-Bauteil vor allem für den Bau von hochpräzisen Sensoren oder Verstärkern mit sehr kleinem Durchmesser geeignet.
Geschicktes Versuchsdesign
Ausschlaggebend für den Forschungserfolg war die Idee, den topologischen Effekt durch eine geschickte Anordnung von Materialien und Kontakten auf einem AlGaAs-Halbleiter-Bauteil unter ultrakalten Temperaturen sowie einem starken Magnetfeld zu provozieren. Dafür hat das Physik-Team eine zweidimensionale Halbleiterstruktur genutzt. Die Kontakte sind so angeordnet, dass der elektrische Widerstand an den Rändern der Kontakte gemessen und der topologische Effekt dort direkt nachgewiesen werden konnte.
