Es ist ein Halbleiter entstanden, der durch die Ausnutzung eines Quanteneffekts eine Revolution verspricht

Halbleitergeräte sind kleine Komponenten, die die Bewegung von Elektronen in modernen elektronischen Geräten steuern. Sie sind für den Betrieb einer Vielzahl von High-Tech-Produkten unerlässlich, darunter Mobiltelefone, Laptops, Fahrzeugsensoren und hochmoderne medizinische Geräte. Allerdings können Verunreinigungen in den Materialien oder Temperaturänderungen den Elektronenfluss beeinträchtigen und zu Instabilität führen.

Jetzt haben theoretische und experimentelle Physiker des Laboratoriums für Komplexität und Topologie der Quantenmaterie (ct-qumat) der Universitäten Würzburg und Dresden jedoch ein Halbleiterbauelement aus Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) entwickelt. Der Elektronenfluss dieses Geräts, der normalerweise Störungen unterliegt, wird durch ein quantentopologisches Phänomen sichergestellt. Diese revolutionäre Forschung, die die Herstellung viel kleinerer Chips ermöglichen wird, wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics beschrieben.

„Dank des „Topological Skin“-Effekts werden alle Ströme zwischen den verschiedenen Kontakten des Quantenhalbleiters nicht durch Verunreinigungen oder andere äußere Störungen beeinflusst. Dies macht topologische Geräte für die Halbleiterindustrie immer attraktiver. Sie machen eine extrem hohe Materialreinheit überflüssig, die derzeit die Produktionskosten der Elektronik in die Höhe treibt“, erklärt Professor Jeroen van den Brink, Leiter des Instituts für Theoretische Festkörperphysik am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW). ) und Hauptforscher von ct.qmat.

Topologische Quantenmaterialien, die für ihre außergewöhnliche Robustheit bekannt sind, eignen sich ideal für stromintensive Anwendungen. „Unser Quantenhalbleiter ist stabil und gleichzeitig äußerst präzise, ​​eine seltene Kombination. Dies positioniert unser topologisches Gerät als eine spannende neue Option in der Sensortechnik.“

Extrem robust und ultrapräzise

Die Nutzung des „topologischen Skin“-Effekts ermöglicht neuartige leistungsstarke quantenelektronische Geräte, die zudem unglaublich klein sein könnten. „Unser topologisches Quantengerät hat einen Durchmesser von etwa 0,1 Millimetern und lässt sich leicht weiter verkleinern“, verrät van den Brink. Das Pionierhafte an diesem Ergebnis des Dresdner und Würzburger Physikerteams ist, dass es erstmals den topologischen Skineffekt auf mikroskopischer Ebene in einem Halbleitermaterial realisiert hat. Dieses Quantenphänomen wurde vor drei Jahren erstmals auf makroskopischer Ebene nachgewiesen, allerdings nur in einem künstlichen Metamaterial, nicht in einem natürlichen. Es ist daher das erste Mal, dass ein winziges, äußerst robustes und hochempfindliches topologisches Quantengerät auf Halbleiterbasis entwickelt wurde.

„In unserem Quantengerät ist die Strom-Spannungs-Beziehung vor dem topologischen Effekt geschützt, da die Elektronen auf die Kanten beschränkt sind. Auch bei Verunreinigungen im Halbleitermaterial bleibt der Stromfluss stabil“, erklärt van den Brink. Er fährt fort: „Darüber hinaus können die Kontakte selbst kleinste Strom- oder Spannungsschwankungen erkennen. Dadurch eignet sich das quantentopologische Gerät hervorragend für die Herstellung hochpräziser Sensoren und Verstärker mit winzigen Durchmessern.“

Ein innovatives Experiment führte zur Entdeckung

Der Erfolg wurde durch die kreative Anordnung von Materialien und Kontakten auf einem AlGaAs-Halbleiterbauelement erreicht, wodurch der topologische Effekt unter ultrakalten Bedingungen und mit einem starken Magnetfeld hervorgerufen wurde. „Wir haben den topologischen Skin-Effekt wirklich aus dem Gerät herausgeholt“, erklärt van den Brink. Das Physikteam nutzte eine zweidimensionale Struktur von Halbleitern. Die Kontakte wurden so angeordnet, dass der elektrische Widerstand an den Kanten der Kontakte gemessen werden konnte und so direkt Aufschluss über den topologischen Effekt gab.

Zusammengeführte Suche über mehrere Standorte hinweg

Seit 2019 untersucht ct.qmat in Würzburg und Dresden quantentopologische Materialien und erforscht ihr außergewöhnliches Verhalten unter extremen Bedingungen wie sehr niedrigen Temperaturen, hohen Drücken oder starken Magnetfeldern.

Die jüngste Entdeckung ist auch das Ergebnis einer langen Zusammenarbeit von Wissenschaftlern der beiden Clusterstandorte. Das am IFW konzipierte neue Quantengerät war eine Gemeinschaftsarbeit von theoretischen Physikern der Universität Würzburg und theoretischen und experimentellen Forschern aus Dresden. Nach der Produktion in Frankreich wurde das Gerät in Dresden getestet. Jeroen van den Brink und seine Kollegen sind nun damit beschäftigt, dieses Phänomen weiter zu erforschen, mit dem Ziel, es für zukünftige technologische Innovationen zu nutzen.


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Köpfe

Der Artikel „Ein Halbleiter entstand, der durch die Ausnutzung eines Quanteneffekts eine Revolution verspricht“ stammt von Economic Scenarios .


Dies ist eine Übersetzung eines Artikels, der am Sun, 18 Feb 2024 16:23:39 +0000 im italienischen Blog Scenari Economici unter der URL https://scenarieconomici.it/realizzato-un-semiconduttore-che-sfruttando-un-effetto-quantistico-promette-una-rivoluzione/ veröffentlicht wurde.