Neues Quantenmaterial könnte Sensoren radikal empfindlicher machen

Ungewöhnliche Quanteneffekte tauchen meist in aufwendig konstruierten optischen oder elektronischen Systemen auf, die Physiker:innen eigens dafür bauen. Solche Plattformen erlauben zwar präzise Kontrolle, sind aber komplex in der Herstellung und lassen sich nur schwer auf größere Bauteile übertragen. Ein Team der Penn State University und der Saint Louis University zeigt nun, dass ein bereits bekanntes Quantenmaterial dieselben Effekte von selbst erzeugt, ganz ohne künstliche Konstruktion. Die Forscher:innen kombinierten dafür zwei Forschungsrichtungen, die bislang weitgehend getrennt voneinander liefen: topologische Quantenmaterialien und die sogenannte nicht-hermitesche Physik.

Bild: Jaydyn Isiminger / Penn State. Creative Commons

Zwei Forschungsfelder, ein Material

Nicht-hermitesche Systeme verhalten sich anders als die Physik es in klassischen Modellen vorsieht. Manche reagieren extrem empfindlich auf kleinste Störungen, andere lassen elektrische Ladungen oder Quantenzustände sich an einem bestimmten Punkt sammeln, statt sich gleichmäßig zu verteilen. Genau dieses zweite Phänomen, den sogenannten nicht-hermiteschen Skin-Effekt, wiesen die Forscher:innen um Morteza Kayyalha, Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der Penn State University, in einem quantenanomalen Hall-Isolator nach. Dieser magnetische topologische Isolator leitet Strom ausschließlich entlang seiner Kante und das auch nur in eine Richtung. Herkömmliche elektronische Netzwerke reagieren dagegen in beide Richtungen gleich, vergleichbar mit einer zweispurigen Straße, auf der ebenso viele Fahrzeuge hinein wie hinaus fahren. Der einseitige Stromfluss im Isolator bricht diese Symmetrie auf.

Ringe aus Wismut-Antimon-Tellurid

Für ihre Messungen stellte das Team ringförmige Bauteile aus dünnen Schichten von magnetisch dotiertem Wismut-Antimon-Tellurid her, gefertigt im Two-Dimensional Crystal Consortium der Penn State University. Ein besonderer Vorteil dieser Plattform: Sobald das Material einmal magnetisiert ist, funktioniert der einseitige Randkanal auch ohne ein von außen angelegtes Magnetfeld, ein deutlicher Unterschied zu klassischen Quanten-Hall-Bauteilen. Die Forscher:innen verteilten mehrere elektrische Kontakte am Rand jedes Rings und maßen, wie sich Signale zwischen den Kontakten bewegten. Aus diesen Daten rekonstruierten sie eine Leitfähigkeitsmatrix und verglichen sie mit dem Hatano-Nelson-Modell, einem etablierten theoretischen Rahmen für nicht-hermitesche Effekte. Die Übereinstimmung bestätigte, dass sich Quantenzustände im Material tatsächlich an einem Ende konzentrierten, statt sich gleichmäßig zu verteilen, ein Verhalten, das bislang nur in künstlich konstruierten Plattformen beobachtet wurde.

Steuerbar über die Gate-Spannung

Über eine angelegte Gate-Spannung ließ sich das Verhalten des Materials zusätzlich gezielt einstellen, ähnlich wie bei einem Transistor in klassischen Schaltkreisen. Damit gewinnen die Forscher:innen ein weiteres Werkzeug, um zu untersuchen, wie der elektrische Transport im Material die nicht-hermitesche Dynamik beeinflusst. Die Arbeit bleibt zwar bislang Grundlagenforschung, doch Kayyalha sieht bereits eine mögliche Richtung für praktische Anwendungen: hochempfindliche Sensoren, die auf kleinste elektrische, magnetische oder andere Umgebungssignale reagieren. Das Herstellungsverfahren lasse sich zudem bereits kommerziell skalieren, betont Kayyalha. Bevor daraus konkrete Produkte entstehen, müssen die Forscher:innen aber erst passende Sensoranwendungen identifizieren, die von den neu nachgewiesenen Quanteneffekten profitieren.

via Penn State