Entfesselung exotischer Materiezustände: RIKEN beweist, dass Kanten unnötig sind

Von RIKENJ5. Juni 2023

RIKEN-Physiker haben einen einzigartigen Quantenzustand, den sogenannten quantenanomalen Hall-Effekt, in einem scheibenförmigen Gerät nachgewiesen und damit bewiesen, dass für diesen Prozess keine Randzustände erforderlich sind. Das Team demonstrierte das Laughlin-Ladungspumpen in einem quantenanomalen Hall-Isolator mithilfe einer geschichteten, donutförmigen Scheibe, die aus verschiedenen magnetischen topologischen Isolatoren besteht. Diese Entdeckung erweitert das Potenzial für die Entdeckung weiterer neuer elektronischer Phänomene in solchen Materialien.

Entgegen der Erwartung zeigen Experimente, dass Kanten nicht erforderlich sind, um einen ungewöhnlichen Quanteneffekt zu realisieren.

RIKEN-Physiker haben zum ersten Mal einen exotischen Quantenzustand in einem Gerät mit scheibenähnlicher Geometrie erzeugt und damit gezeigt, dass keine Kanten erforderlich sind. Diese Demonstration eröffnet den Weg zur Realisierung weiterer neuartiger elektronischer Verhaltensweisen.

Die Physik hat sich längst von den drei klassischen Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig entfernt. Ein besseres theoretisches Verständnis der Quanteneffekte in Kristallen und die Entwicklung fortschrittlicher experimenteller Werkzeuge zu deren Untersuchung und Messung haben eine ganze Reihe exotischer Materiezustände ans Licht gebracht.

Ein prominentes Beispiel hierfür ist der topologische Isolator: eine Art kristalliner Festkörper, der auf seiner Oberfläche völlig andere Eigenschaften aufweist als der Rest des Materials. Der bekannteste Ausdruck hierfür ist, dass topologische Isolatoren auf ihrer Oberfläche Strom leiten, in ihrem Inneren jedoch isolierend wirken.

Eine weitere Erscheinungsform ist der sogenannte „quantenanomale Hall-Effekt“.

Der herkömmliche Hall-Effekt ist seit über einem Jahrhundert bekannt und entsteht, wenn ein elektrischer Strom, der durch einen Leiter fließt, durch ein im rechten Winkel zum Strom angelegtes Magnetfeld von einer geraden Linie abgelenkt wird. Diese Ablenkung erzeugt eine Spannung am Leiter (und einen entsprechenden elektrischen Widerstand).

Abbildung 1: Die Donut-ähnliche Struktur des Geräts, das in Experimenten zur Demonstration des Laughlin-Ladungspumpens in einem kantenfreien Gerät verwendet wurde. Bildnachweis: © 2023 RIKEN Center for Emergent Matter Science

Bei einigen magnetischen Materialien kann dieses Phänomen auch dann auftreten, wenn kein Magnetfeld angelegt wird, was als anomaler Hall-Effekt bezeichnet wird.

„Der anomale Hall-Widerstand kann in topologischen Isolatoren sehr groß werden“, erklärt Minoru Kawamura vom RIKEN Center for Emergent Matter Science. „Bei niedrigen Temperaturen steigt der anomale Hall-Widerstand und erreicht einen Grundwert, während der Widerstand entlang der Stromrichtung Null wird.“ Dabei handelt es sich um den quantenanomalen Hall-Effekt, der erstmals vor fast einem Jahrzehnt im Labor beobachtet wurde.

Jetzt haben Kawamura und seine Kollegen einen Effekt nachgewiesen, der als Laughlin-Ladungspumpen in einem quantenanomalen Hall-Isolator bekannt ist.

Das Team fertigte eine donutförmige Scheibe aus Schichten verschiedener magnetischer topologischer Isolatoren (Abb. 1). Anschließend maßen sie, wie der elektrische Strom durch das Gerät auf ein magnetisches Wechselfeld reagierte, das von Metallelektroden an der Innen- und Außenkurve des Donuts erzeugt wurde.

Die Forscher beobachteten, dass dieses Feld dazu führte, dass sich an den Enden des Zylinders elektrische Ladung ansammelte. Das ist Laughlin-Ladungspumpen.

Frühere Demonstrationen von quantenanomalen Hall-Isolatoren verwendeten rechteckige Geräte, die über Kanten verfügten, die die Elektroden verbanden. Und man ging davon aus, dass die elektronischen Zustände in diesen Kanten entscheidend für die Unterstützung des quantenanomalen Hall-Isolators sind.

Doch die Erkenntnisse des Teams widerlegen diese Annahme. „Unsere Demonstration des Laughlin-Ladungspumpens in einem quantenanomalen Hall-Isolator verwendet ein scheibenförmiges Gerät ohne Randkanäle, die die beiden Elektroden verbinden“, sagt Kawamura. „Unser Ergebnis eröffnet die Möglichkeit, dass andere aufregende elektronische Phänomene in quantenanomalen Hall-Materialien realisiert werden können.“

Reference: “Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator” by Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, Kei S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagaosa, Masashi Kawasaki and Yoshinori Tokura, 19 January 2023, Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2