Eine neue Art von topologischem Material

Symmetrie ist ein Schlüssel­konzept für unser Verständnis der uns umgebenden physi­ka­lischen Welt. Die Anordnung selbst­ähnlicher Komponenten nach den Richtlinien der Symmetrie diktiert ihr kollektives Verhalten. Auch in der Material­wissenschaft diktieren bestimmte Symmetrien die Funktionalität eines Materials auf der Quantenebene. Ein aktueller Schwerpunkt auf diesem Gebiet ist das Verständnis, wie bestimmte Symmetrien zusammen­wirken, um grundlegend neue Reaktionen in topo­lo­gischen Materialien zu ermöglichen. Diese Materialien weisen unter­schied­liche Ober­flächen- und Volumen­eigen­schaften auf, was sie zu viel­ver­sprechenden Kandidaten für künftige Anwendungen in der Quanten­elektronik macht.

Seit der Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts ist die Symmetrie das Leitprinzip bei der Suche nach topo­lo­gischen Materialien. Jetzt hat ein inter­natio­nales Forscherteam aus Deutschland, der Schweiz und den USA ein alternatives Leitprinzip, die „Quasi-Symmetrie“, eingeführt, das zur Entdeckung einer neuen Art von topo­lo­gischem Material mit großem Potenzial für Anwendungen in der Spintronik und der Quanten­techno­logie führt. Im Gegensatz zu einer echten Symmetrie, die sich gleichmäßig auf das gesamte Objekt auswirkt, beeinflusst die Quasi-Symmetrie selektiv verschiedene Teile des Systems.

Ein vereinfachtes Beispiel ist ein unvoll­ständiges Spiegelbild, bei dem einige Teile des Objekts gespiegelt sind, andere jedoch nicht. Theoretisch entspricht dies einem System, das eine exakte Symmetrie aufweist, wenn nur die einfachste Näherung berück­sichtigt wird, während zusätzliche Näherungs­terme diese Symmetrie aufheben. In der elektro­nischen Bandstruktur eines Festkörpers erzwingt dies endliche, aber parametrisch kleine Energie­lücken an einigen Punkten mit niedriger Symmetrie im Impulsraum.

Das Forscherteam konnte zeigen, dass die Quasi-Symmetrie in dem Halbmetall Cobalt­silicid winzige Energie­lücken über eine große, nahezu entartete Ebene stabilisiert. Das spiegelt sich in der Art und Weise wider, wie die Elektronen durch ein Magnetfeld in eine Kreisbewegung gebogen werden, also in den Quanten­oszil­lationen. Die Anwendung von gerichteter Zugkraft in der Ebene bricht die Kristall­symmetrie, wodurch nur an den entsprechenden entarteten Punkte eine Energielücke entsteht, während die durch Quasi-Symmetrie geschützten Punkte intakt bleiben. Die Quasi-Symmetrie kann durch magnetische Tunnel­effekte beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen eine der wichtigsten Eigen­schaften der Quasi-Symmetrie: Ihre Robustheit gegenüber chemischen und physi­ka­lischen Störungen.

Die meisten topologischen Materialien, die in den letzten Jahren entdeckt wurden, erfordern eine präzise Gestaltung ihrer chemischen Zusammen­setzung, damit sie für künftige techno­logische Anwendungen in Frage kommen. Im Gegensatz dazu entfällt bei Quasi-Symmetrien die Not­wendig­keit einer solchen Fein­abstimmung, da die topologischen Eigenschaften bei jedem beliebigen chemischen Potenzial gefunden werden können. Darüber hinaus sind quasi­symmetrie­geschützte topologische Materialien robust gegenüber physi­ka­lischen Verformungen, die die kristalline Symmetrie brechen – eine wichtige Voraussetzung für ihre techno­logische Anwendung mittels Dünn­schicht­verfahren.

Diese Eigenschaften zeigen eine neue Klasse von topologischen Materialien mit erhöhter Wider­stands­fähig­keit gegen Störungen, was ihre techno­logische Anwendung vereinfacht. Aus Sicht des Forschungs­teams stellt dieses erste Beispiel einen wichtigen Schritt zur Entdeckung topo­lo­gischer Materialien jenseits der üblichen Raum­gruppen­klassi­fi­zierungen dar.

MPISD / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Guo et al.: Quasi-symmetry-protected topology in a semi-metal, Nat. Physics, online 16. Mai 2022; DOI: 10.1038/s41567-022-01604-0
• Mikrostrukturierte Quantenmaterie, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg