28.11.2017
Neuartige und erst vor wenigen Jahren entdeckte Festkörper, sogenannte ‚Topologische Isolatoren‘ (TI), sind nur an ihrer Oberfläche elektrisch leitend. In dünnen Schichten ferromagnetischer TI tritt der anomale Hall-Effekt auf, bei dem der Hall-Widerstand bereits ohne äußeres Magnetfeld quantisiert ist. Erstmals wurde dies jetzt mit einer Messunsicherheit im sub-ppm Bereich gezeigt.
Topologische Isolatorkristalle wie z.B. (BixSb1-x)2Te3 werden durch Beimischung von z.B. Vanadium ferromagnetisch. Der anomale Hall-Effekt in solchem Material und seine theoretisch vorhergesagte Quantisierung auch ohne äußeres Magnetfeld wurden bereits vor einiger Zeit nachgewiesen, allerdings nur mit relativen Messunsicherheiten von etwa 10-4.
Für die elektrische Quantenmetrologie ist der Effekt hochinteressant, könnte er doch in Zukunft zu Bauelementen führen, in denen quantisierte Hall-Normale für den elektrischen Widerstand mit den nur ohne Magnetfeld funktionierenden Josephson-Normalen für die Spannung auf einem Chip kombiniert werden könnten.
Bis es jedoch soweit ist, sind noch einige Herausforderungen zu meistern. Zum einen ist die Herstellung dieser Kristall mit Molekularstrahlepitaxie so diffizil, dass sie von nur wenigen Gruppen weltweit beherrscht wird. Zum anderen ist die Qualität der Kristalle zurzeit noch so limitiert, dass (entgegen theoretischer Abschätzung) nur extrem tiefe Temperaturen im Millikelvin Bereich und sehr kleine Mess-Stromstärken von wenigen Nanoampere eine präzise Messung überhaupt erlauben. Sicher ist dies ein Grund für die bisher recht hohe Messunsicherheit.
In Zusammenarbeit mit einer Gruppe der Universität Würzburg, weltweit eine der führenden auf dem Gebiet und der einzigen in Europa, die solches Material herstellen kann, gelang es nun dennoch, die Messunsicherheit für den Nachweis der Quantisierung auf 3x10-7 zu verbessern. Dies untermauert die Erwartung, dass der Effekt, der in vielen Details noch unverstanden ist, in Zukunft für die Präzisions-Quantenmetrologie einsetzbar ist.
Die Ergebnisse wurden zur Veröffentlichung eingereicht und sind auf einem preprint-Server [1] verfügbar.
Bild 1: An einer rechteckigen Hall-Struktur (mit ‚Topgate‘ beschriftetes Rechteck im kleinen Bild) wird ein Hall-Widerstand gemessen, der bei Stromstärken bis zu 5 nA mit dem erwarteten Werte, der von-Klitzing-Konstante RK=h/e2 , innerhalb geringer Messunsicherheit übereinstimmt.