Ballistische Elektronen, ein einzigartiges Phänomen in modernen Quantenmaterialien, unterscheiden sich von gewöhnlichen Elektronen dadurch, dass sie von Materialdefekten nahezu unbeeinflusst bleiben und sich widerstandslos bewegen können. Sie treten typischerweise in eingeschlossenen ein- oder zweidimensionalen Materialien auf. Forscher des Jülich Research Centre und der RWTH Aachen haben ein neues Modell entwickelt, das diesen einzigartigen Elektronenfluss unter realistischen Bedingungen nachweisen kann. Ihre Ergebnisse wurden als redaktionelle Empfehlung in Physical Review Letters veröffentlicht.

Ballistische Elektronenkanäle, die sich entlang der Kanten zweidimensionaler topologischer Materialien bilden, bergen großes Potenzial für zukünftige Elektronik und könnten die Grundlage für energieeffiziente Schaltkreise und robuste Qubit-Quantencomputer bilden. Die neue Methode basiert auf der von Rolf Landauer vor Jahrzehnten vorgeschlagenen Theorie des ballistischen Ladungstransports. Das klassische Modell beschreibt jedoch nur einen idealisierten Zustand und geht davon aus, dass Elektronen ausschließlich an den beiden Enden des Kanals ein- und austreten können.

Das neu entwickelte Jülich-Modell geht noch einen Schritt weiter und legt nahe, dass ballistische Ladungskanäle nicht isoliert sind, sondern die Ränder des leitfähigen Materials bilden, in das Strom injiziert wird. Dadurch können Elektronen entlang der gesamten Kanallänge ein- und austreten. „Dies erlaubt es uns erstmals, das Verhalten solcher Randkanäle so zu beschreiben, dass es den tatsächlichen experimentellen Bedingungen entspricht“, sagte Dr. Christoph Moores, Erstautor der Studie. Er fügte hinzu: „Unsere Theorie liefert zudem einzigartige Merkmale, mit denen sich verlustfreie ballistische Ströme identifizieren und von konventionellem Ladungstransport unterscheiden lassen.“ Moores absolvierte seine Postdoktorandenzeit am Peter-Grünberg-Institut in Jülich, Belgien, bevor er zum Imec Nanoelectronics Research Centre in Leuven, Belgien, wechselte.

Dieses Modell zeigt, dass ballistische Kanäle den Stromfluss in zweidimensionalen Materialien grundlegend verändern. Es sagt charakteristische Spannungsverteilungen voraus, die sich direkt mit Nanosonden oder Rastertunnelmikroskopie mit mehreren Sonden beobachten lassen. Dadurch wird es möglich, experimentell zwischen ballistischen und dissipativen Strömen zu unterscheiden. Dies ist ein entscheidender Schritt, um die Existenz spezieller leitfähiger Kanäle und deren Anwendung in zukünftigen Bauelementen nachzuweisen.

Weitere Informationen: Kristof Moors et al., „Verteilte Strominjektion in eindimensionalen ballistischen Randkanälen“, Physical Review Letters (2025). Zeitschrifteninformationen: Physical Review Letters