Goldmine für die Nanoelektronik

Mineral Kawazulit als topologischer Isolator für Spintronik interessant

Im Fundus der Natur finden sich noch vielseitigere Materialien als bislang angenommen. Ein Team um Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart hat nun entdeckt, dass es sich bei dem Mineral Kawazulit um einen topologischen Isolator handelt. Solche Materialien leiten nur auf ihrer Oberfläche einen elektrischen Strom. Für Anwendungen sind sie unter anderem interessant, weil die Richtung, in der die Elektronen auf der Oberfläche fließen, direkt mit der Orientierung deren Spins zusammenhängt. Der Spin gibt Elektronen ein magnetisches Moment und könnte sich in der Nanoelektronik ausnutzen lassen, um Information effizient und auf sehr engem Raum zu speichern und zu verarbeiten. Physiker haben topologische Isolatoren im Labor bislang nur gezielt nach theoretisch genau berechneten Rezepturen synthetisiert. Wie sich nun herausstellt, entstehen sie auch in den mehr oder weniger zufälligen Mixturen der Natur, und zwar in mindestens ebenso guter Qualität wie im Labor.

Aus Goldminen lassen sich mehr Schätze zutage fördern als nur Edelmetalle. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung, der Universität Stuttgart und der Schweizer Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne haben das Mineral Kawazulit, das in goldhaltigem Gestein vorkommt und aus den Elementen Bismut, Antimon, Tellur, Selen und Schwefel besteht, jetzt in aufwändigen Untersuchungen als topologischen Isolator identifiziert. „Solche Materialien sind vielversprechend für eine künftige Nanoelektronik, genauer gesagt die Spintronik“, sagt Marko Burghard, dessen Forschungsgruppe das Material aufgespürt hat, das sich als wertvoll für die Datenverarbeitung erweisen könnte.

Die Spintronik will Bits, die heute mithilfe der Ladung von Elektronen verarbeitet werden, in deren Spin speichern. Der Spin entspricht dem Drehsinn eines Elektrons und verleiht ihm ein magnetisches Moment. Daher orientiert er sich in einem äußeren Magnetfeld parallel und antiparallel– mit seinem magnetischen Nordpol in Richtung des Magnetfeldes und entgegengesetzt dazu. Diese beiden Orientierungen könnten die 0 und 1 eines Bits codieren. Die Spintronik käme nicht nur mit kleineren Speichereinheiten aus als die Elektronik – im Extremfall würde möglicherweise der Spin eines einzelnen Atoms reichen. Sie wäre auch energieeffizienter, da sich die Spins mit sehr wenig Energie zwischen 0 und 1 schalten lassen.

Glänzt auch durch seine Quanteneigenschaften: Das Innere des natürlichen Minerals Kawazulit isoliert einen elektrischen Strom, nur auf seiner Oberfläche ist es leitfähig. Solche topologischen Isolatoren wurden bisher nur im Labor hergestellt; da in ihrem Oberflächenstrom die Spins der Elektronen stark an ihre Bewegungsrichtung gekoppelt sind, lässt sich mit ihnen möglicherweise die Spintronik realisieren, die Information nicht in der Ladung, sondern im Spin von Elektronen speichert.
Bild © fkf.mpg.de

Im topologischen Isolator sind Elektronenspins und Stromrichtung gekoppelt

Topologische Isolatoren gelten als aussichtsreiche Materialien für spintronische Prozessoren und Speicherchips, weil sich die Elektronenspins in ihrem Oberflächenstrom durch die Stromrichtung manipulieren lassen. Denn in ihrem Oberflächenstrom orientieren sich die Spins aller Elektronen, die in eine Richtung fließen, gleich. Und die Spins der entgegengesetzt strömenden Elektronen richten sich genau anders herum aus. Der enge Zusammenhang zwischen Bewegungsrichtung und Spin stabilisiert die Orientierung der Spins: Damit diese umklappen, müssen die Elektronen eine abrupte Kehrtwende um 180 Grad vollführen.

Ehe die Materialien in der Spintronik Anwendung finden könnten, müssen Physiker sie aber zunächst noch besser erforschen. Denn erst im Jahr 2005 sagten Theoretiker überhaupt voraus, dass es Isolatoren geben müsse, die an ihrer Oberfläche einen Strom leiten. Aufgrund der theoretischen Überlegungen mischten Experimentatoren dann chemische Verbindungen mit dieser Eigenschaft zusammen. „Wir hatten die Idee, dass es solche Materialien auch in der Natur geben müsse, möglicherweise sogar in einer besseren Qualität“, sagt Pascal Gehring, der den natürlichen topologischen Isolator im Rahmen seiner Doktorarbeit charakterisiert hat.