Neue Forschungsergebnisse zu topologischen Isolatoren könnten zu Quantencomputer führen

EU-Forscher lieferten weitere Einblicke zu der Frage, wie Magnetfelder das Verhalten von topologischen Isolatoren beeinflussen können - Materialien, die exotische neue elektronische Quantenzustände an ihren Rändern aufweisen. Die Manipulation und Eingrenzung dieser Zustände könnte topologische Isolatoren geeignet für den Einsatz im Quantencomputing machen.

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Topologische Isolatoren sind eine neu entdeckte Klasse von Materialien, die sich in ihrem Inneren als Isolatoren verhalten, aber deren Oberflächen leitende Zustände an den Schnittstellen mit anderen Isolatoren enthalten. Die Oberflächenzustände von topologischen Isolatoren haben eine faszinierende Eigenschaft: die Richtung der Elektronenbewegung ist untrennbar mit der Spinorientierung verknüpft. Diese geschützten geführten Zustände können brechen, wenn Elektronen ihren Spin umdrehen. Ein Vorteil dieses spinselektiven Verhaltens ist, dass es das sogenannte Rückstreuphänomen verhindert. Unvollkommenheiten, die die elektronischen Eigenschaften des Materials normalerweise ruinieren würden, haben wenig Wirkung. Allerdings behalten topologische Oberflächen dissipationslosen Spinstrom und den Schutz vor Rückstreuung über Entfernungen von wenigen Mikrometern. Rückstreumechanismen über längere Abstände, die bei Quecksilber-Tellurid (HgTe) beobachtet wurden, sind weiterhin unklar. Um hier abzuhelfen, initiierten Wissenschaftler das Projekt MAGNETOP (Probing the effect of time reversal symmetry breaking by the application of a local magnetic field in topological insulators). Die Arbeiten konzentrierten sich auf die Untersuchung der Wirkung kleiner Magnetfelder auf die Streuung, um sicherzustellen, dass zwischen den Auswirken von elektrischen Feldschwankungen und lokalen Magnetfeldern unterschieden werden konnte. Mithilfe von Scan-Gate-Mikroskopie untersuchte das Team Elektronentransport und Streuung an HgTe-Quantentöpfen. Die Ergebnisse sollten nicht nur das Verständnis von Streuungsmechanismen in Quanten-Spin-Hall-Zuständen verbessern, sondern auch zeigen, wie die Ränder mit Trägern im inneren Material in Wechselwirkung treten, wenn dies leitend wird. Die Wissenschaftler untersuchten auch die Wirkung der Beschränkung von Ladungsträgern auf einen Fabry-Perot-Hohlraum in HgTe-Quantentöpfen. Bipolare Kreuzungen wurden geschaffen, um die Wirkung von Back-Gate- und Top-Gate-Spannung zu kombinieren. Die resultierende Quanten-Interferenz wurde in Transportmessungen nachgewiesen. Die Ergebnisse sollten weitere Einblicke zur Rolle der Beschränkung in den Randzuständen und deren Wechselwirkung mit Ladungsträgern im Inneren bei Abwesenheit und Anwesenheit eines kleinen Magnetfeldes liefern. Darüber hinaus können die Ergebnisse verwendet werden, um das Zusammenspiel zwischen Quanten-Hall- und Quanten-Spin-Hall-Effekten in Gegenwart von hohen Magnetfeldern zu untersuchen. Experimente mit Raster-Mikrowellen-Impedanz-Mikroskopie an dünnen Proben in starken Magnetfeldern zeigten eine unerwartete Leitung an den Rändern. Diese Ergebnisse widersprechen bestehenden Ansichten, dass starke Magnetfelder die geschützten leitenden Zustände brechen. Die Forschungen von MAGENTOP zum Verhalten von Randzuständen unter Magnetfelder sollten helfen, Elektronenstreuungsmechanismen besser zu verstehen. Das Manipulieren von Magnetfeldern an diesen Zuständen ist wichtig für zukünftige elektronische Schaltungen und Transistoren. Alle Projektergebnisse wurden in Peer-Review-Zeitschriften veröffentlicht.