Leiter und Isolator zugleich

Magnetische Störstellen wandeln Kristalle zu einer neuen Halbleiter-Klasse für Datenspeicher und elektronische Schaltkreise

Menlo Park (USA) - Erst vor fünf Jahren wurden sie entdeckt: Kristalle, die Strom an ihrer Oberfläche leiten können und zugleich in ihrem Innern als Isolator blockieren. Bismuttellurid zählt zu diesen "topologischen Isolatoren" und offenbarte einem amerikanischen Physiker-Team nun weitere einzigartige Eigenschaften. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift "Science" berichten, konnten sie mit winzigen Verunreinigungen aus Eisen oder Mangan den Oberflächenleiter zu einem Halbleiter wandeln. Diese Entdeckung könnte zur Entwicklung neuer Datenspeicher oder winzigen Schaltkreise führen.

"Wir bauten magnetische Dotierungen in den dreidimensionalen, topologischen Isolator Bismuttellurid ein und brachen damit die Zeitumkehr-Symmetrie auf", berichten Shoucheng Zhang und seine Kollegen von der Stanford University und vom SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park. Wegen dieses Symmetriebruchs konnten Elektronen nicht mehr beliebig ihre Position ändern, wie es für elektrische Leiter notwendig ist. Der Grund für diesen Wandel vom Leiter zum Halbleiter an der Oberfläche liegt in den magnetischen Eigenschaften der Eisen- und Mangan-Atome. Sie öffnen einen elektronischen Graben zwischen Leitungs- und Valenzband des Materials. Die Existenz einer solchen Bandlücke ist die zentrale Voraussetzung für einen Halbleiter.

Mit Hilfe der winkelaufgelösten Photoemissions-Spektroskopie konnte das Team um Zhang, der an der Berliner Humboldt-Universität Physik studierte und jüngst mit dem Gutenberg-Forschungspreis der Universität Mainz ausgezeichnet wurde, die Größe dieses elektronischen Grabens bestimmen. Dabei zeigte sich, dass der Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband von der Menge der dotierten Eisen- und Mangan-Atome abhing. Der Oberflächenhalbleiter konnte sogar gezielt zwischen einer negativen und einer positiven Dotierung variiert werden. Mit dieser Eigenschaft eröffnen sich für die "topologischen Isolatoren" viele Möglichkeiten, um neue elektronische Schaltkreise oder Datenspeicher zu entwickeln.