Quantenphänomen macht Halbleiter-Bauelement störungsunanfällig

Ein Forschungsteam hat eine besonders robustes Halbleiter-Bauteil entwickelt, das sich ein bereits bekanntes Quantenphänomen zunutze macht. Die Entdeckung könnte Auswirkungen auf künftige Anwendungen und Technologien haben.

Durch die geschickte Ausnutzung eines bereits bekannten Quantenphänomens ist es Physikern des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat gelungen ein Halbleiter-Bauelement zu entwickeln, das weniger sensibel auf Materialverunreinigungen und Temperaturschwankungen reagiert. Das bedeutet, dass in der Fertigung von Bauteilen die extrem hohen Reinheitsansprüche nicht mehr in vollem Umfang erforderlich sind und dass beim Einsatz der fertigen Bauelemente die Umgebungsbedingungen bezüglich Hitze, Staub und Feuchtigkeit nicht mehr so eng wie bisher definiert werden müssten.

Temperaturbeständige Leistungshalbleiter aus dem 3D-Drucker

Skin-Effekt im Halbleiter genutzt

Die Funktionsweise von Halbleiter-Bauelementen besteht darin, dass sie als kleinste Schalteinheiten fungieren und den Transport und die Kontrolle von Elektronen ermöglichen. Dadurch wird die Funktionalität verschiedener Alltagstechnologien wie Smartphones, Laptops, medizinischer Geräte und industrieller Sensoren gewährleistet. Durch die Nutzung des topologischen Skin-Effekts eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsstarker und kompakter elektronischer Bauteile.

Der topologische Skin-Effekt ist ein Quantenphänomen, das den Transport von Elektronen an der Oberfläche eines Materials ermöglicht, ohne dass es zu Widerstand kommt. Im Endeffekt wird der Stromtransport aus dem Inneren eines stromleitenden Materials an dessen Oberfläche verdrängt. Das hat zur Folge, dass elektronische Bauteile, die auf diesem Effekt basieren, sehr effizient und empfindlich arbeiten. Bisher war es jedoch nur gelungen, den Skin-Effekt auf makroskopischer Ebene in einem künstlichen Material nachzuweisen. Das Forschungsteam aus Dresden und Würzburg hat es nun geschafft, den Skin-Effekt erstmals in einem natürlichen Halbleitermaterial zu realisieren.

Stabiler Stromfluss im Halbleitermaterial auch bei Problemen

„In unserem Quantenbauteil ist die Beziehung zwischen Strom und Spannung durch den topologischen Skin-Effekt geschützt, weil sich die Elektronen alle am Rand aufhalten. Selbst bei Verunreinigungen im Halbleitermaterial bleibt der Stromfluss stabil. Gleichzeitig können schon geringste Schwankungen von Strom oder Spannung von den Kontakten gemessen werden“, erläutert Jeroen van den Brink vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden.

Wie verschlüsselte Daten sicher vor Quantencomputern geschützt werden können

Die Forschenden haben einen Durchbruch im Bereich der Topologie erzielt, indem sie den topologischen Effekt durch eine geschickte Anordnung von Materialien und Kontakten auf einem AlGaAs-Halbleiter-Bauteil (Aluminium-Gallium-Arsenid) ausgelöst haben. Das wurde unter extrem niedrigen Temperaturen und einem starken Magnetfeld erreicht. Das Physiker-Team ist davon überzeugt, dass es den topologischen Skin-Effekt aus dem Bauteil buchstäblich herausgekitzelt hat. Um diesen Erfolg zu erzielen, nutzten die Forschenden eine zweidimensionale Halbleiterstruktur. Die Kontakte wurden so platziert, dass der elektrische Widerstand an den Rändern der Kontakte gemessen und der topologische Effekt dort direkt nachgewiesen werden konnte.

Neue Halbleitertechnologien ermöglicht

Die Forschenden hoffen, dass ihre Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der Topologie und deren Auswirkungen auf elektronische Systeme führen werden. Das könnte das Potenzial für neue Technologien und Anwendungen eröffnen, insbesondere im Bereich der Quantenberechnung und Spintronik. Die Forschungsergebnisse sind nach Einschätzung des Exzellenzclusters ct.qmat ein wichtiger Schritt zur weiteren Erforschung und Anwendung des topologischen Skin-Effekts. In Zukunft könnte dieser Effekt dazu beitragen, elektronische Bauteile noch leistungsstärker und kompakter zu gestalten.

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