Dresdner Forscher an Durchbruch zu Quanten-Bauelement beteiligt

Von Annett Kschieschan

Dresden/Würzburg. Wissenschaftler aus Dresden und Würzburg haben gemeinsam ein Halbleiter-Element realisiert, bei dem ein bestimmtes Quantenphänomen für große Robustheit und besondere Sensibilität sorgt. Der sogenannte topologische Skin-Effekt schütze die Funktionalität des Bauteils vor äußeren Einflüssen und macht auch sehr empfindliche Messungen möglich, heißt es in einer gemeinsamen Pressemitteilung der TU Dresden und der Universität Würzburg sowie des Exzellenzclusters ct.qmat. Die Entwicklung gilt als Durchbruch bei der Forschung zu diesem Thema. Die Ergebnisse wurden jetzt im Fachjournal Nature Physics veröffentlicht.

„Dank des topologischen Skin-Effekts können die Ströme zwischen den verschiedenen Kontakten auf dem Quanten-Halbleiter weder durch Verunreinigungen noch durch andere äußere Einflüsse gestört werden. Das macht topologische Bauelemente für die Halbleiterindustrie zunehmend interessant. Denn bei ihrer Herstellung kann man auf die extrem hohen Reinheitsgrade vom Material verzichten, die unsere heutige Elektronik so teuer machen“, erläutert Prof. Jeroen van den Brink, Direktor am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) und Gründungsmitglied von ct.qmat.

Vom Handy bis zur Medizintechnik

Halbleiter-Bauelemente sind in allen Technologien verbaut, die wir im Alltag nutzen – von Handy und Laptop bis hin zur modernen Medizintechnik und zu Auto-Sensoren. Als kleinste Schalteinheiten sorgen sie dafür, dass Elektronen transportiert und gesteuert werden können. Materialverunreinigungen oder andere äußere Einflüsse können jedoch den Stromfluss beeinträchtigen, was sich auch die Funktionalität des jeweiligen Gerätes auswirkt. Die neueste Entwicklung der Forscher aus Dresden und Würzburg bringt hier große Fortschritte. „Der Durchmesser unseres topologischen Quanten-Bauteils beträgt ungefähr 0,1 Millimeter und kann für zukünftige Elektronik-Anwendungen leicht weiter verkleinert werden“, so van den Brink. Der Forschungserfolg des Dresden-Würzburger Physik-Teams bestehe demnach darin, dass die Wissenschaftler den topologischen Skin-Effekt als erste auf mikroskopischer Ebene in einem Halbleiter-Material verwirklichen konnten.

Schon seit 2019 erforscht das Exzellenzcluster ct.qmat in Würzburg und Dresden topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Laborbedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren und damit potenziell neue Möglichkeiten für die Technologieentwicklung schaffen. Das Kürzel steht für „Complexity and Topology in Quantum Matter“. Mehr als 300 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus mehr als 30 Ländern und von vier Kontinenten arbeiten in dem Cluster mit.