Neuer Quantenzustand der Materie in Heusler-Verbindungen entdeckt
08.07.2010
Schon seit vielen Jahren sind Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) weltführend in der Forschung über Heusler-Verbindungen als wichtige Materialklasse für die Spin-Elektronik. In den letzten Jahren sind neue Anwendungsgebiete im Bereich der erneuerbaren Energien wie Solarenergie und Thermoelektrik hinzugekommen. Nun geraten die Heusler-Verbindungen auch in den Blickpunkt für Zukunftstechnologien wie den Quantencomputer. "Wir haben aufgrund von Berechnungen einen neuen Quantenzustand der Materie in Heusler-Verbindungen entdeckt, was absolut ungeahnte Möglichkeiten für ihre Verwendung eröffnet", teilt Prof. Dr. Claudia Felser vom Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie der JGU mit. "Heusler-Materialien sind wahre Alleskönner und eine Goldmine für Zukunftstechnologien." Zusammen mit Prof. Shoucheng Zhang von der Stanford University zeigt die Mainzer Wissenschaftlerin, dass sich zahlreiche Heusler-Verbindungen wie topologische Isolatoren (TI) verhalten können. TI wurden erst vor 5 Jahren entdeckt.
Schlüsselentdeckungen in der Physik oder den Materialwissenschaften werden häufig eher zufällig bei Messungen im Labor gemacht. Im Fall der sog. topologischen Isolatoren war das anders: Im Jahr 2006 sagte Prof. Zhang aus Stanford einen neuen Quantenzustand der Materie in Nanostrukturen des bekannten Halbleiters Quecksilber-Tellurid (HgTe) voraus. Ein Jahr später wurde der Effekt von dem Würzburger Team um Laurens Molenkamp experimentell bestätigt. Um physikalisch zu verstehen, was dabei vor sich geht, werden völlig neue mathematische Konzepte benötigt.
Seit fast 5 Jahren sind die TI das Hot Topic in der Festkörper- und Materialphysik. Kennzeichnend für die topologischen Isolatoren ist, dass die Materialien eigentlich Isolatoren oder Halbleiter sind, an der Oberfläche oder an Grenzflächen sind sie allerdings metallisch, aber eben nicht wie normale Metalle. Ähnlich wie bei Supraleitern zeigen die Elektronen an der Oberfläche oder den Grenzflächen keine Wechselwirkung mit ihrer Umgebung, sie befinden sich in einem neuen Quantenzustand. Anders als in Supraleitern zeigen topologische Isolatoren zwei nichtwechselwirkende Ströme, jeweils einen für jede Spinrichtung. Der Spin ist der Eigendrehimpuls der Elektronen. Diese beiden Spinströme, die weder Defekte noch Verunreinigungen im Material wahrnehmen, können für die Zukunftselektronik "Spintronik" und zur Informationsverarbeitung in Quantencomputern genutzt werden.
Diese Fähigkeiten werden nun auch für Heusler-Materialien vorausgesagt. Heusler-Verbindungen sind Verbindungen aus drei Elementen, die häufig halbleitend oder magnetisch sind. Schon um 1900 wurde diese Verbindungsklasse von Fritz Heusler entdeckt. Das Besondere an den Verbindungen ist, dass sie ganz andere Eigenschaften zeigen, als man aus der Kombination der Elemente, aus denen sie hergestellt werden, vermuten könnte. So wurde die erste Heusler-Verbindung aus den nichtmagnetischen Elementen Kupfer, Mangan und Aluminium hergestellt; Cu2MnAl ist aber ein Ferromagnet, sogar bei Raumtemperatur. Verbindungen aus drei guten Metallen sind plötzlich Halbleiter und für erneuerbare Energien wie Solarzellen oder für die Umwandlung von Wärme in Strom, die Thermoelektrik, interessant. Mainz ist international und bei potenziellen Anwendern als Standort für das Design und die Herstellung von Heusler-Materialien bekannt. Grundlegende Erkenntnisse über Heusler-Verbindungen und ihre Eigenschaften und damit über eine etwaige Nutzung für viele künftige Anwendungen wurden in Mainz gewonnen.
Dass Heusler-Materialien nun auch als topologische Isolatoren in Frage kommen, hat weltweit für Aufregung gesorgt. "Dafür gibt es zwei Gründe", erklärt Felser. "Zum einen gibt es in dieser großen Materialklasse mit mehr als 1.000 bekannten Vertretern allein mehr als 50 Verbindungen, die den Fingerabdruck der TI zeigen. Zum anderen können ganz neue physikalische Effekte designt werden, da die Materialien aus drei Elementen bestehen und daher neben dem topologischen Quantenzustand weitere interessante Eigenschaften aufweisen können." So sind Kombinationen von zwei Quantenzuständen wie Supraleitung und topologischen Oberflächenzuständen möglich. Es sind zudem noch nicht entdeckte, aber teilweise schon vorhergesagte Eigenschaften denkbar. "Es ist völlig neu, dass all diese Möglichkeiten in nur einem Material zusammenkommen", so Felser.
Die renommierte Fachzeitschrift Nature Materials hat vor diesem Hintergrund gleich 3 Artikel zu dem Thema veröffentlicht: den Artikel des Entdeckerteams aus Stanford und Mainz, eine kurze Zeit später eingereichte Arbeit aus Princeton sowie einen Kommentar über die sensationelle Entdeckung.