Wissenschaftler der University of British Columbia (UBC) haben eine innovative Methode demonstriert, mit der sich topologische Zustände in Quantenmaterialien reversibel schalten lassen. Der Mechanismus ist mit moderner Elektronik kompatibel. Die in *Nature Materials* veröffentlichte Forschung liefert neue Erkenntnisse für die Entwicklung neuartiger, energieeffizienter elektronischer Bauelemente auf Basis topologisch geschützter Ströme. Dr. Megan Aronson vom Stuart Bruson Institute for Quantum Matter an der UBC erklärte: „Herkömmliche elektronische Bauelemente verschwenden Energie und erzeugen Wärme aufgrund des Widerstands. Topologische Ströme hingegen, die durch Symmetrie geschützt sind, versprechen eine deutliche Reduzierung der Verlustleistung.“

Das Forschungsteam klärte das Funktionsprinzip des topologischen Schalters auf. Experimentell kontrollierten sie den topologischen „Knotenring“ des Materials – eine Struktur, die als ringförmiger, hochleitfähiger Kanal für Elektronen fungiert. Solange das Atomgitter seine Symmetrie beibehält, ist der Knotenring geöffnet und ermöglicht die freie Bewegung der Elektronen. Wird die Symmetrie gebrochen, zerbricht der Knotenring und es entsteht eine Energielücke. „Wir verfügen über ein Material, dessen Kristallstruktursymmetrie beliebig und wiederholt manipuliert werden kann, wodurch theoretische Vorhersagen bestätigt werden“, so Dr. Jörn Bannies, Erstautor der Studie. Die Forscher entdeckten zudem zwei Schlüsselfaktoren, die topologische Übergänge steuern: Erstens beeinflusst das Verhältnis von Antimon zu Tellur im Kristall die Anzahl der Elektronen und die Gitteranordnung; zweitens stellt die Abscheidung einer Kaliumschicht auf der Kristalloberfläche die Symmetrie wieder her, schließt die Bandlücke und ermöglicht erneut den Fluss topologischer Ströme. Durch Erhitzen der Probe und Entfernen des Kaliums kehrt das Material in seinen Ausgangszustand zurück und bildet einen elektronischen Schalter, ähnlich einem Transistor. Dr. Bannies betonte: „Dieses Schaltverhalten wurde in mehreren Experimenten beobachtet und ist somit kein Zufall.“ Das Forschungsteam nutzte winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES), um die Veränderungen der elektronischen Struktur bei Änderung der Bandlücke des Knotenrings abzubilden. Der leitende Forscher Dr. Matteo Michialdi erklärte: „ARPES ist die einzige Technik, die die elektronische Struktur direkt visualisieren kann und uns somit die Beobachtung von Quantenübergängen in Echtzeit ermöglicht.“ Diese Forschung zeigt, dass sich die elektronische Topologie von Materialien durch Hinzufügen oder Entfernen von Elektronen anpassen lässt. Dies eröffnet neue Wege für die nahtlose Integration von Quantenmaterialtechnologie in bestehende Elektroniktechnologien.

Weitere Informationen: J. Bannies et al., „Electronic Switches with Topological Structures in LaSbTe“, *Nature Materials* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature Materials*