Topologische Partikel in kondensierter Materie
Topologische Isolatoren sind eine außergewöhnliche Klasse von Materialien. Ein faszinierender Aspekt besteht darin, dass sie sich im Kern wie Isolatoren verhalten, auf ihrer Oberfläche aber auch Strom leiten. Darüber hinaus zeigen diese Materialien in der Nähe eines Supraleiters Erregungen, die nicht-kommutative Statistiken befriedigen, die sogenannten Majorana-Fermionen, die für Quantencomputer verwendet werden könnten. Die Forscher des Projekts TOPOSPIN (Scanning tunneling spectroscopy of topological interfaces for future spintronics) erforschten eine Vielzahl von topologischen Isolatoren. Ihr oberstes Ziel war es, Systeme kondensierter Materie zu identifizieren, wo unter einem Rastertunnelmikroskop Majorana-Fermionen an ihren Außenschichten nachgewiesen werden können. Majorana-Fermionen verhalten sich zugleich wie Materie und Antimaterie. Durch ihre widerstreitenden Eigenschaften sind diese exotischen Teilchen neutral und ihre Wechselwirkung mit der Umwelt ist minimal. Diese "Zurückhaltung" brachte die TOPOSPIN-Forscher dazu, nach Möglichkeiten zu suchen, wie Majorana-Fermionen am Rand eines Ein-Atom-dicken Drahts hergestellt werden können - genau dort, wo sie theoretisch vorhergesagt worden sind. Die Wissenschaftler untersuchten die Bedingungen, unter denen eine Kette von magnetischen Atomen auf der Oberfläche eines Supraleiters Majorana-Fermionen beherbergen können. Eines der überraschenden Ergebnisse der theoretischen Studien bestand darin, dass selbst eine kurze Kette, bestehend aus nur ein paar Dutzend von Atomen in einem bestimmten Energiebereich sich wie ein Majorana-Fermion verhalten könnte. Noch wichtiger ist, dass es den Forschern gelang, ein physisches System von Eisenatomen auf der Oberfläche eines ultrareinen Kristalls aus Blei herzustellen. Nach Abkühlen des Systems auf -272 °C, bestätigten sie, dass die Supraleitung in dem atomar dünnen Draht den Bedingungen entsprach, die benötigt werden, um ein Majorana-Fermion am Ende des Drahtes zu unterstützen. Mithilfe von Rastertunnelmikroskopie konnten die topologischen Zustände an den Rändern der Wismut-Doppelschichten untersucht werden. Die Projektforscher zeigten die 1D-Elektronenstruktur, die sich entlang des Randes des Systems ausbreitete. Diese niedrig-dimensionalen topologischen Systeme könnten voraussichtlich eine Schlüsselrolle bei der Realisierung von Majorana-Fermionen spielen. Die Erkenntnisse aus TOPOSPIN eröffnen neue Wege für Forschungen zum Verhalten von topologischen Isolatoren. Neben den Implikationen für die Festkörperphysik konnte das Projekt auch dazu beigetragen, eine fruchtbare Zusammenarbeit zwischen den führenden Forschungsinstituten in Europa und den Vereinigten Staaten zu etablieren, die auch in der Zukunft fortgesetzt werden soll.
Schlüsselbegriffe
Kondensierte Materie, topologische Isolatoren, Quanten-Computing, Majorana-Fermionen, Rastertunnel
