Experimente zeigen, dass Kanten nicht benötigt werden, um einen ungewöhnlichen Quanteneffekt zu realisieren.

18. April 2023

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von RIKEN

RIKEN-Physiker haben zum ersten Mal einen exotischen Quantenzustand in einem Gerät mit diskusförmiger Geometrie erzeugt und gezeigt, dass Kanten nicht erforderlich sind. Diese Demonstration eröffnet den Weg zur Realisierung anderer neuartiger elektronischer Verhaltensweisen. Ihre Ergebnisse werden in Nature Physics veröffentlicht.

Die Physik hat sich lange von den drei klassischen Zuständen der Materie - fest, flüssig und gasförmig - entfernt. Eine bessere theoretische Verständnis der Quanteneffekte in Kristallen und die Entwicklung fortschrittlicher experimenteller Werkzeuge zur Untersuchung und Messung haben eine Vielzahl exotischer Zustände der Materie enthüllt.

Ein prominentes Beispiel hierfür ist der topologische Isolator: eine Art kristalliner Festkörper, der auf seinen Oberflächen wild unterschiedliche Eigenschaften als im Rest des Materials aufweist. Die bekannteste Manifestation hiervon ist, dass topologische Isolatoren Strom auf ihren Oberflächen leiten, im Inneren jedoch isolierend sind.

Eine weitere Manifestation ist der sogenannte quantenanomale Hall-Effekt.

Der konventionelle Hall-Effekt entsteht, wenn ein elektrischer Strom, der durch einen Leiter fließt, von einem im rechten Winkel zum Strom angelegten Magnetfeld abgelenkt wird. Diese Ablenkung erzeugt eine Spannung über dem Leiter (und einen entsprechenden elektrischen Widerstand).

In 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 nimmt der anomale Hall-Widerstand zu und erreicht einen fundamentalen Wert, während der Widerstand entlang der Stromrichtung null wird." Dies ist der quantenanomale Hall-Effekt und wurde vor fast einem Jahrzehnt erstmals im Labor beobachtet.

Jetzt haben Kawamura und seine Kollegen einen Effekt namens Laughlin-Ladepumpen in einem quantenanomalen Hall-Isolator nachgewiesen.

Das Team fertigte eine donutförmige Scheibe aus Schichten von verschiedenen magnetischen topologischen Isolatoren an. Dann maßen sie, wie der elektrische Strom durch das Gerät auf ein wechselndes Magnetfeld reagierte, das von Metallelektroden auf den inneren und äußeren Kurven des Donuts erzeugt wurde.

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

Frühere Demonstrationen von quantenanomalen Hall-Isolatoren verwendeten rechteckige Geräte mit Kanten, die die Elektroden verbinden. Es wurde angenommen, dass elektronische Zustände in diesen Kanten für die Unterstützung des quantenanomalen Hall-Isolators entscheidend waren.

Aber die Ergebnisse des Teams ändern diese Annahme. "Unsere Demonstration von Laughlin-Ladepumpen in einem quantenanomalen Hall-Isolator verwendet ein scheibenförmiges Gerät ohne Kantenkanäle, die die beiden Elektroden verbinden", sagt Kawamura. "Unser Ergebnis eröffnet die Möglichkeit, dass andere aufregende elektronische Phänomene in quantenanomalen Hall-Materialien realisiert werden können."

Journal information: Nature Physics

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