Erster Blick auf neuartigen Quanteneffekt

Ein internationales Forscherteam hat erstmals Elektronen im Quanten-Spin-Hall-Zustand beobachten und messen können. Die Spinströme fliessen ohne äusseren Anreiz aufgrund der inneren Struktur des Materials. Der Informationsfluss erfolgt auch bei Materialunregelmässigkeiten verlustfrei, wie die Forschenden in «Science» (Volume 323, Issue 5916) berichten. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Datenverarbeitung.

Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen und kommt grundsätzlich in zwei Varianten vor. Deshalb eignet er sich als binärer Informationsträger. In Festplatten etwa werden Spins bereits zur Speicherung von digitalen Informationen genutzt. 2007 wurde der so genannte Quanten-Spin-Hall-Effekt entdeckt, der es möglich machen könnte, die Information zukünftiger Speichermedien nahezu verlustfrei zu transportieren und elektrisch zu manipulieren. Jetzt konnte ein internationales Forscherteam erstmals einen tiefen Einblick in die inneren Vorgänge beim Quanten-Spin-Hall-Effekt gewinnen. Dem von Forschern der Princeton University angeführten Team unter Beteiligung von Forschenden des Physik-Instituts der Universität Zürich und der Schweizerischen Synchrotron-Strahlungsquelle SLS am Paul-Scherrer-Institut ist ein direkter Blick auf die Spins der fliessenden Teilchen gelungen, wie sie in «Science» berichten.

Mit Hilfe eines spin-auflösenden Photoelektronenspektrometers, das die Zürcher Oberflächenphysik-Gruppe an der SLS in den letzten Jahren aufgebaut und erfolgreich in Betrieb genommen hat, konnte erstmals das Spin-Muster direkt gemessen werden. «An der Oberfläche einer Legierung aus Wismut und Antimon sieht man zwei gegeneinander laufende Spinströme, die ohne Energiezufuhr existieren», erklärt Prof. Jürg Osterwalder von der Universität Zürich.

Elektronen, die sich in eine Richtung bewegen, können nicht plötzlich umkehren, da sie dabei gleichzeitig ihren Spin drehen müssten – was sie nur sehr ungern und nur in Gegenwart magnetischer Verunreinigungen tun. Deshalb treten keine Verluste auf, selbst wenn das Material Unregelmässigkeiten aufweist. «Die Ursache dieses erstaunlich robusten Oberflächenphänomens liegt in einer ganz speziellen elektronischen Struktur im Inneren des Materials», führt Prof. Osterwalder weiter aus. Die jetzt nachgewiesenen Spinströme auf diesen so genannten topologischen Materialien, die von einer Forschergruppe an der Princeton University entdeckt und hergestellt wurden, sollten elektrisch manipulierbar sein. Damit könnten sie als Quelle für Spins dienen für Anwendungen in der Spin-Elektronik, kurz Spintronik. Bei der Spintronik wird nicht nur die elektrische Ladung genutzt, sondern auch der Spin von Elektronen, um neuartige Konzepte zur Verarbeitung und Kodierung von Informationen in der Datenverarbeitung zu realisieren. «Mit solchen Messungen an der SLS können in Zukunft gezielt Materialien auf diese Eignung hin untersucht werden», sagt Prof. Osterwalder.


Originalbeitrag:
D. Hsieh, Y. Xia, L. Wray, D. Qian, A. Pal, J. H. Dil, J. Osterwalder, F. Meier, G. Bihlmayer, C. L. Kane, Y. S. Hor, R. J. Cava, M. Z. Hasan: Observation of Unconventional Quantum Spin Textures in Topological Insulators, In: Science, (Vol 323, issue 5916), DOI: 10.1126/science.1167733