Experten entwickeln Modell zur Identifizierung des verlustfreien ballistischen Elektronenflusses in zweidimensionalen topologischen Materialien

Der ballistische Elektronentransport, ein Phänomen, bei dem Ladungsträger nahezu verlustfrei durch ein Material wandern und dabei Streuung an Defekten der Struktur vermeiden, bildet einen zentralen Forschungsschwerpunkt im Bereich moderner Quantenmaterialien. Dieses außergewöhnliche Verhalten, das typischerweise in Medien mit eingeschränkter Dimensionalität beobachtet wird, eröffnet bahnbrechende Möglichkeiten für die Elektronik der Zukunft, insbesondere im Hinblick auf Energieeffizienz und Geschwindigkeit. Forscher des renommierten Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen University haben nun gemeinsam ein neuartiges, wegweisendes Modell konzipiert. Dieses Modell ist in der Lage, diese spezielle Form des Elektronenflusses unter experimentellen Bedingungen zu identifizieren und zu charakterisieren, die den realen Gegebenheiten im Labor sehr nahekommen.

Die an den Rändern zweidimensionaler topologischer Materialien entstehenden ballistischen Kanäle gelten als essenziell für die Realisierung hocheffizienter Schaltkreise und vor allem für die Schaffung stabiler Qubits in zukünftigen Quantencomputern. Der neue wissenschaftliche Ansatz baut auf den fundamentalen Konzepten der Theorie des ballistischen Ladungstransports auf, die ursprünglich von dem Physiker Rolf Landauer formuliert wurden. Das klassische Landauer-Modell ging jedoch von einem stark idealisierten Zustand aus, in dem Elektronen den Kanal ausschließlich an seinen äußersten Endpunkten betreten oder verlassen konnten. Die Innovation der Jülicher Forscher liegt darin, diese vereinfachende Einschränkung zu überwinden. Sie berücksichtigen nun, dass der ballistische Ladungskanal nicht als isoliertes Element betrachtet werden kann, sondern stets in ein größeres, stromführendes Material eingebettet ist, welches die kontinuierliche Stromeinspeisung gewährleistet.

Diese realitätsnahe Betrachtungsweise impliziert, dass Elektronen entlang der gesamten Länge des Kanals eindringen oder ihn verlassen können – ein dynamischer Vorgang, der den Beobachtungen in Laborexperimenten präzise entspricht. Dr. Christoph Murs, der Erstautor der aktuellen wissenschaftlichen Publikation, hob hervor, dass es durch diese theoretische Weiterentwicklung erstmals möglich sei, das komplexe Verhalten der Randkanäle in Übereinstimmung mit der Wirklichkeit detailliert zu beschreiben. Die von ihnen entwickelte Theorie liefere, so Murs weiter, eindeutige und messbare Signaturen. Diese ermöglichen es, den verlustfreien ballistischen Strom zweifelsfrei zu identifizieren und ihn klar vom gewöhnlichen, dissipativen Ladungstransport abzugrenzen, bei dem Energie durch Streuung verloren geht.

Das erarbeitete Modell prognostiziert spezifische, charakteristische Spannungsverteilungen innerhalb des Materials. Diese können mithilfe hochauflösender Messinstrumente, wie Nanoprobensystemen oder Mehrsonden-Rastermikroskopen, direkt an der Oberfläche erfasst werden. Die klare Unterscheidung zwischen ballistischen und dissipativen Strömen stellt einen absolut entscheidenden Schritt dar, um die Existenz dieser außergewöhnlichen Leitfähigkeitskanäle endgültig zu bestätigen und sie für praktische Anwendungen in zukünftigen elektronischen Bauelementen nutzbar zu machen. Die intensive Forschung an topologischen Materialien, insbesondere topologischen Isolatoren, die ballistisches Verhalten an ihrer Oberfläche demonstrieren, wird aktiv vorangetrieben, um die Basis für die Realisierung ultraschneller Transistoren zu schaffen. Eine präzise Modellierung dieser komplexen Quanteneffekte beeinflusst unmittelbar die Entwicklung neuer Werkstoffe mit maßgeschneiderten elektronischen Eigenschaften – eine unverzichtbare Grundlage für die Halbleitertechnologien der nächsten Generation.