Die Abbildung visualisiert den Quanten-Halbleiter-Bauelement, in dem ein topologischer „Skin“-Quanteneffekt für einen stabilen Elektronenfluss (blauer Kreis) am Rand sorgt. Visualisierung: Christoph Mäder/pixelwg für die TUD und Ct.qmat
Skin-Quanteneffekt soll besonders präzise Sensoren und Verstärker ermöglichen
Dresden/Würzburg, 18. Januar 2024. Gezielt aktivierte Quanteneffekte sollen künftig besonders genaue Messgeräte und Rechner ermöglichen. Auf dem Weg dorthin haben Quantenphysikerinnen aus Dresden und Würzburg nun ein mikroelektronisches Bauteil entwickeln, das Elektronenströme gegen Störungen von außen oder durch Materialeffekte durch den sogenannten „Skin“-Quanteneffekt abschirmt. Das hat die TU Dresden mitgeteilt, die gemeinsam mit der Uni Würzburg das Quantenphysik-Exzellenzzentrum betreibt.
„Topologische Bauelemente für Halbleiterindustrie zunehmend interessant“
„Dank des topologischen Skin-Effekts können die Ströme zwischen den verschiedenen Kontakten auf dem Quanten-Halbleiter weder durch Verunreinigungen noch durch andere äußere Einflüsse gestört werden“, betont Prof. Jeroen van den Brink, Direktor am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) und „Ct.qmat“-Mitgründer. „Das macht topologische Bauelemente für die Halbleiterindustrie zunehmend interessant. Denn bei ihrer Herstellung kann man auf die extrem hohen Reinheitsgrade vom Material verzichten, die unsere heutige Elektronik so teuer machen,“
Effekt startet bei großer Kälte und starkem Magnetfeld
Konkret kühlten die „Ct.qmat“-Physikerinnen laut Angaben der TU Dresden ein Halbleiter-Bauteil aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) bis auf sehr niedrige Temperaturen ab und legten ein starkes Magnetfeld an. Dann regten sie einen topologischen Quanteneffekt in dem Bauteil an, der dafür sorgt, dass alle freien Elektronen des Bauteils am Rande statt mitten durch das Material fließen. Dadurch entsteht eine Art Schutzhaut („Skin“) gegen Materialverformungen und andere äußere Einflüsse.
Solche Bauelemente könnten künftig zum Beispiel für besonders präzisen Sensoren oder Verstärkern verwendet werden, prognostizieren die Forscherinnen. Sie sind auch überzeugt, dass sich ihr Bauelement ähnlich wie klassische Silizium-Transistoren in Chipfabriken weiter verkleinern lassen. Und weil die Elektronen in diesem Bauteil so robust gegen Störungen fließen, müssten auch nicht mehr so hochreine Materialien wie bisher gezüchtet werden, damit eben zum Beispiel daraus gebaute Sensoren auch funktionieren. Das topologische Quanten-Bauelement funktioniert bisher allerdings nur bei großer Kälte und starken Magnetfeldern. Dies schränkt den praktischen Nutzen vorerst ein.
Autor: Oiger-News
Quelle: TUD
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