Ein Forschungsteam des RIKEN Institute of Physical and Chemical Research (RIKEN) in Japan hat erfolgreich ein neues Dünnfilmmaterial entwickelt, das ferroelektrische und topologische Isolationseigenschaften vereint. Dieser Durchbruch ermöglicht die Entwicklung neuer elektronischer Geräte. Die Forschungsergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.

Die von Ryutaro Yoshimi, Gastwissenschaftler am RIKEN Center for Emerging Matter Science, geleitete Forschung führte zu einem Dünnschichtmaterial, das sowohl Ferroelektrizität als auch topologische Isolierung aufweist. Ferroelektrizität bezeichnet das Vorhandensein spontaner elektrischer Dipole im Material, die durch ein elektrisches Feld manipuliert werden können. Topologische Isolierung hingegen beschreibt die Eigenschaft des Materials, an der Oberfläche leitfähig und im Inneren isolierend zu sein. Yoshimi erklärte: „Dieser Erfolg stellt die Realisierung einer neuen Phase der Materie dar und kombiniert zwei Schlüsselkonzepte der Festkörperphysik: Topologie und Ferroelektrizität.“

Die Bandstruktur ist ein Schlüsselfaktor für die elektronischen Eigenschaften eines Materials. In bestimmten Spezialmaterialien können sich Elektronenbänder kreuzen, was zu ungewöhnlichem Verhalten führt. Yoshimi erklärt: „Elektronen verhalten sich in Festkörpern wie Wellen, und die Beziehung zwischen ihrer Energie und ihrem Impuls wird durch die Bandstruktur beschrieben. In bestimmten Materialien können sich verschiedene Elektronenbänder kreuzen und dabei die gleiche Energie aufweisen.“ Diese Bandkreuzung erzeugt ein starkes äquivalentes Magnetfeld, das bis zu hundertmal stärker ist als ein herkömmliches Magnetfeld.

Ferroelektrische Eigenschaften eröffnen neue Möglichkeiten zur Manipulation topologischer Zustände. Yoshimi bemerkte: „Die topologische Struktur eines Materials ist typischerweise sehr stabil und lässt sich durch äußere Reize nur schwer verändern, während Ferroelektrizität leicht durch ein externes elektrisches Feld manipuliert werden kann. Durch die Kombination dieser beiden Eigenschaften eröffnen wir neue Möglichkeiten zur Kontrolle der topologischen Zustände an der Oberfläche eines Materials.“ Als nächstes wird das Forschungsteam die Nutzung elektrischer Felder zur Manipulation der Anzahl der Dirac-Zustände an der Oberfläche untersuchen und so die externe Leitfähigkeit und Spinpolarisation steuern.

Dieser neue topologische Isolatorfilm bietet potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in elektronischen Geräten. Forscher vermuten, dass durch die effektive Kontrolle und Manipulation des emergenten Effekts effizientere elektronische Geräte entwickelt werden können. Diese Forschung liefert neue Wege für das funktionale Design topologischer Materialien.

Weitere Informationen: Ryutaro Yoshimi et al., „Der Oberflächenzustands-Quanten-Hall-Effekt in (Sn,Pb,In)Te-Dünnschichten bestätigt die Entstehung ferroelektrischer topologischer Isolatoren“, Physical Review Letters (2025). Zeitschrifteninformationen: Physical Review Letters, arXiv