Großer Tag für die Kepler-Uni: Gleich zwei Studien im Top-Magazin "Nature"

Heute ist ein großer Tag für die Johannes Kepler Universität Linz: Gleich zwei Beiträge ihrer Forscher erscheinen im naturwissenschaftlichen Top-Magazin "Nature". Der eine von Gunther Springholz von der Abteilung für Halbleiter- und Festkörperphysik (siehe unseren "Oberösterreicher des Tages"), der andere von Arthur Ernst, Vorstand der Abteilung für Vielkörpersysteme.

Sie befassen sich mit einer neuen Klasse von Materialien, die schon vor einigen Jahren theoretisch vorausgesagt wurden. Nun konnten sie die Theorie im Experiment bestätigen. "Topologische Isolatoren" nennen die Forscher das neue Material, mit dem elektrischer Strom verlustfrei transportiert werden kann. Zusammengesetzt aus Atomen der Elemente Wismut und Tellur (Wismuttellurit), zeigt die daraus gebildete Kristallstruktur nämlich ein völlig unerwartetes Verhalten: Im Inneren verhält sie sich wie ein elektrischer Isolator, an der Oberfläche aber wie ein Metall.

Wismuttellurit wurde schon bisher zur thermoelektrischen Energiegewinnung verwendet. "Aber bis vor kurzem ist niemand auf die Idee gekommen, dass man es auch für elektronische Bauelemente verwenden kann", sagt Springholz. "Quantensprünge" sind dazu nötig. Durch sie lassen sich Informationen auf atomarer Basis weiterleiten. Nicht mehr nach dem Prinzip des Entweder-oder, das herkömmliche Computer-Chips benutzen. In ihnen gibt es nur die Alternative: Strom fließt – oder setzt aus.

Anders im Quantencomputer: "Bei ihm nutzt man Quanteneffekte zur Informationsübertragung", sagt Springholz. Und weil Quanten mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können, lassen sich mit ihnen viel mehr Informationen verarbeiten. Zur Beobachtung solcher Quanteneffekte waren bisher enorme Magnetfelder nötig, die "von außen" angelegt wurden.

Quanten auf dem Sprung

Hier kommen die "topologischen Isolatoren" ins Spiel. Der revolutionäre Ansatz, den die Linzer Forscher in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum in Berlin beschreiten: Ihr Material entwickelt die magnetischen Felder selbst.

Sie zwingen die Elektronen zum "Sprung" über so genannte "Bandlücken", wie sie auch in Solarzellen zur Energiegewinnung verwendet werden. Bringt man nämlich in das Wismuttellurit magnetisch wirkende Fremdatome aus Mangan ein, wird es von selber magnetisch und zeigt Quanteneffekte, ohne dass man dazu ein äußeres Magnetfeld benötigt. "Diese Energielücken wurden schon vor zehn Jahren theoretisch vorhergesagt, jetzt konnten wir sie experimentell nachweisen", sagt Springholz. Wesentlich beteiligt war auch der Lambacher Halbleiterphysiker Stefan Wimmer. Die Voraussetzung für Quanteneffekte ist damit gegeben. So wird der Energieverbrauch in der Datenverarbeitung enorm verringert, denn schon heute verbrauchen Internet und "Telefonie" zwei Prozent des weltweiten Stroms, und dieser Anteil wird noch drastisch steigen.

Durchgeführt wurden die Experimente am Teilchenbeschleuniger "Bessy II" in Berlin, Probenherstellung und Analyse der Materialstruktur besorgten die Linzer. Darüber hinaus enthalten die in "Nature" veröffentlichten Studien umfassende Computersimulationen und binden experimentelle Ergebnisse etwa vom Europäischen Synchrotron in Grenoble ein. "Die internationale Zusammenarbeit war mitentscheidend für unseren Erfolg", betonen die Linzer.