Das Exzellenzcluster ct.qmat erforscht Quanteneffekte – eines der Ziele ist, Informationstechnologie nachhaltiger, weil energiesparender zu machen: Der Weg zum Green Computing geht damit einen Schritt weiter. Das Mittel der Wahl sind magnetische topologische Isolatoren, denn die exotische Materialklasse leitet Elektronen ganz ohne Widerstand. Im Frühjahr 2023 gelang ein überraschender Meilenstein – Vladimir Hinkov und Anna Isaeva beleuchten die Hintergründe.
Können Sie bitte den Hintergrund des Projekts beleuchten – wie kam der Stein ins Rollen?
VLADIMIR HINKOV: Seit das Exzellenzcluster ct.qmat der Universitäten Würzburg und Dresden Anfang 2019 an den Start ging, bilden magnetische topologische Isolatoren einen Forschungsschwerpunkt. Wir erhoffen uns von dieser Materialklasse Quanteneffekte, die zukünftige Informationstechnologien deutlich energiesparender machen sollen. Vor fünf bis sieben Jahren waren solche Materialien nur realisierbar, wenn man bei ihrer Herstellung magnetische ‚Störungen‘ einbrachte. Das sind magnetische Atome, die sich zufällig im Kristallgitter verteilen und das Material entweder ferromagnetisch oder antiferromagnetisch machen.
Die zufällige Verteilung der magnetischen Atome hat Nachteile für die Leistungsfähigkeit des Quantenmaterials. Anna Isaeva hat daher mit ihrer Forschungsgruppe vor circa fünf Jahren das Material MnBi2Te4 entwickelt, in dem die magnetischen Eigenschaften durch geordnete magnetische Atome zustande kommen – hier war also nichts mehr zufällig verteilt. Allerdings ist MnBi2Te4 antiferromagnetisch, was selbst wieder Nachteile hat: Wenn man damit Bauelemente realisieren wollte, müsste man in technologisch aufwendiger Form nanometerdünne Schichten aus dem Material gewinnen mit einer exakten Anzahl an atomaren Lagen. Ein Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters – im Labor kann man mit einzelnen Atomschichten umgehen, für die Industrie wäre das aber viel zu aufwändig und teuer.
Daher haben Forschungsgruppen weltweit versucht, eine ferromagnetische Version des geordneten Materials zu entwickeln. Während wir mit der Herstellung von ferromagnetischem MnBi6Te10 erfolgreich waren, blieb das gleiche Material bei anderen Gruppen weiterhin antiferromagnetisch. Es war dann die spannendste Aufgabe für uns zu erforschen, warum das gleiche Material bei verschiedenen Gruppen so unterschiedliche Eigenschaften zeigt. Fast wie Köche, die nach einer perfekten Rezeptur fahnden, ist es uns mit einer Reihe verschiedener experimenteller und theoretischer Methoden gelungen, die perfekten Bedingungen für MnBi6Te10 zu finden. Dabei war die Zusammenarbeit innerhalb des Exzellenzclusters ct.qmat von entscheidender Bedeutung – denn so konnten viele Experten, die jeweils ganz unterschiedliche Methoden beherrschen, zusammenkommen und gemeinsam eine Lösung finden.
Die Materialfrage scheint in der aktuellen Quantenforschung enorm wichtig zu sein. In einem Projekt des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik fokussiert man sich auf synthetische Diamanten. Ihr Fokus liegt auf ferromagnetischen topologischen Isolatoren wegen energietechnischer Aspekte. Was sind die Vorteile Ihres Ansatzes?
VLADIMIR HINKOV: Da ich den anderen Ansatz nicht genau kenne, ist ein Vergleich hier schwierig. Man kann aber allgemein sagen, dass magnetische Quantenmaterialien die Energieverluste, wie es sie bei konventionellen Elektronikbausteinen gibt, nicht mehr haben werden. Heutige Elektronik-Chips erwärmen sich beim Betrieb, da sie auf dem Strom von Elektronen basieren: Die Elektronen erfahren einen Widerstand durch Stöße, dabei entsteht Wärme. Das kennt jeder mindestens von seinem Handy oder Laptop. Man muss technisch aufwendig kühlen, damit die Funktionsweise nicht verloren geht und die Bausteine nicht zerstört werden; auch die Leistungsfähigkeit ist dadurch eingeschränkt. Diese Nachteile soll es bei modernen Materialansätzen wie den magnetischen topologischen Isolatoren gar nicht mehr geben. Diese speichern und transportieren Informationen dank der Ausrichtung von internen magnetischen Momenten verlustfrei, da kann nichts mehr heiß werden.
„Das Verblüffende an diesem Quantenmaterial: Sein Ferromagnetismus entsteht erst, wenn manche Atome ihre Plätze tauschen und so Fehlordnung ins System bringen.“ Was genau ist das Überraschende?
VLADIMIR HINKOV: Ohne diese Art von Fehlordnung ist das Material MnBi6Te10 nur antiferromagnetisch, ebenso wie die vor fünf Jahren entwickelte Verbindung MnBi2Te4 – technologische Anwendungen damit wären viel zu aufwendig und teuer. In unserem Quantenmaterial MnBi6Te10 gibt es Atomschichten, die aus Mangan ‚Mn‘ bestehen; nur die Manganatome tragen die magnetischen Momente. Im antiferromagnetischen MnBi6Te10 sind diese Momente abwechselnd in einer Atomschicht nach oben ausgerichtet und in der nächsten nach unten. Verteilt man nun nur wenige Mn-Atome auf bestimmte Weise zwischen den Mn-Schichten, dann zeigen alle magnetischen Momente der Mn-Schichten in eine gemeinsame Richtung – zum Beispiel nach oben. Das meinen wir vereinfacht gesagt mit ‚Fehlordnung‘. Die Tatsache, dass schon wenigen Mn-Atome zwischen den Schichten ausreichen, um aus einer antiferromagnetischen Ordnung eine ferromagnetische zu machen, hat uns sehr überrascht.
Welchen konkreten Nutzen hat man davon, dass die Kristalle ferromagnetisch werden?
ANNA ISAEVA: Ein ferromagnetischer topologischer Isolator ist in seinem Inneren isolierend, am Rand werden Elektronen jedoch ganz ohne Widerstand transportiert – nur dank der Ausrichtung der magnetischen Momente. Das spart viel Energie im Vergleich zur herkömmlichen Technik. Ein ferromagnetisches Quantenmaterial hat zudem ein robusteres und stärkeres eigenes Magnetfeld als sein antiferromagnetischer Vorgänger – das heißt Elektronen können schon bei deutlich höheren Temperaturen verlustfrei transportiert werden. Wie ‚warm‘ wir hier aber genau werden können, erforschen wir gerade. Noch arbeiten wir mit ultratiefen Temperaturen.
Wie kamen Sie darauf, Mangan-Atome in den Kristallen „umzusortieren“ und bleibt diese Fehlordnung im Anschluss konstant?
ANNA ISAEVA: Glücklicherweise hilft uns die Natur selbst bei der Erforschung von Quantenmaterialien. Die Mangan-Atome in diesen Verbindungen sind sehr beweglich und können den Platz mit den Bismuth-Atomen tauschen. Wir haben herausgefunden, dass dieser Prozess von der Temperatur abhängt, mit der das Material hergestellt wird. Wenn wir die Materialkristalle im Labor züchten, können wir bei jedem einzelnen Schritt verschiedene Bedingungen wählen: Temperatur, Dauer, Kühlrate, …. Allerdings muss man viel Geduld mitbringen, denn manche Syntheseschritte brauchen Wochen. Nachdem wir einiges ausprobiert hatten, konnten wir die Bedingungen für unsere Kristalle so anpassen, dass die gewünschte Fehlordnung entstanden ist. Etwas Glück war aber auch dabei, denn man kann selten gut vorhersagen, was Veränderungen der Synthesebedingungen wirklich bewirken. Die Fehlordnung bleibt im fertigen Material dauerhaft bestehen. Um dies zu erreichen, werden die Kristalle, die mehrere Wochen lang bei hoher Temperatur in einem Ofen wachsen, aus dem Ofen gezogen und schnell in kaltem Wasser abgeschreckt – wie ein Frühstücksei. So wird die freie Bewegung der Atome gestoppt und sie bleiben an ihrem Platz im Atomgitter hängen.
Neben dem Material stellen Temperaturen eine wichtige Herausforderung. Bisher werden Quantencomputer am absoluten Nullpunkt betrieben. Inwiefern ergeben sich hieraus Herausforderungen oder Vorteile für Ihre Forschung?
VLADIMIR HINKOV: Will man Bauelemente für Alltags-Elektronik entwickeln, müssen die Quanteneffekte bei Raumtemperatur funktionieren. Das ist aber im Allgemeinen schwierig, da Wärme im System Quantenphänomene zerstört. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Supraleitung. Sie funktioniert nur bei Temperaturen weit unterhalb unserer Zimmertemperatur. Andererseits entdecken wir bei unserer Forschung mit ultratiefen Temperaturen neue Quantenphänomene, die es bei Raumtemperatur gar nicht gibt.
Welche konkreten Schritte erfolgen nach Ihrem aktuellen Erfolg?
ANNA ISAEVA: Wir versuchen topologische Materialien zu entwickeln, die bei höheren Temperaturen ferromagnetisch werden und dann hoffentlich auch bei höheren Temperaturen die gewünschten Quanteneffekte zeigen. Um dies zu erreichen, versuchen wir andere chemische Elemente als Mangan in das Atomgitter einzubauen, die noch größere magnetische Momente in sich tragen und daher ein noch stärkeres inneres Magnetfeld erzeugen können und die gewünschten Effekte bei noch höheren Temperaturen zeigen. Zudem können wir mit dem Austausch von magnetischen Atomen im Gitter spielen und den Vorteil nutzen, dass sie ihre Nachbarn mit einer bestimmten Art von magnetischer Ordnung anstecken.
Über das Projekt
Mit dem Design des ferromagnetischen topologischen Isolators MnBi6Te10 aus der Mangan-Bismut-Tellurid-Familie ist es einem Team der Universitäten Würzburg und Dresden (Exzellenzcluster ct.qmat) gelungen, einen Meilenstein für energieeffiziente Quantentechnologien zu setzen. Das Verblüffende an diesem Material: Sein Ferromagnetismus entsteht erst, wenn manche Atome ihre Plätze tauschen und so Fehlordnung ins System bringen. Die Forschungsergebnisse wurden im Journal Advanced Science veröffentlicht.