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Widerstandsquantisierung ohne Magnetfeld

Erste Präzisionsmessung des quantisierten anomalen Quanten-Hall-Effekts

PTB-News 2.2018
29.05.2018
Besonders interessant für

Widerstandsmetrologie

Festkörperphysik

In Zusammenarbeit mit der Universität Würzburg gelang der PTB eine Messung des quantisierten anomalen Hall-Effekts mit einer relativen Messunsicherheit von 2,5 ∙ 10–7. Das ist eine Verbesserung um fast drei Größenordnungen. Damit rückt die Kombination quantisierter Hall-Normale für den elektrischen Widerstand mit Josephson- Spannungs-Normalen auf einem Chip näher. Das wäre ein Durchbruch für die praktische Nutzung elektrischer Quantennormale.

Ein „topologischer Isolator“ ist im Inneren (Bulk) isolierend und an der Oberfläche leitfähig. Eine ferromagnetische Dotierung bewirkt, dass die Oberfläche senkrecht zur Magnetisierungsrichtung M ebenfalls isolierend wird. Am Rande des Films verlaufen eindimensionale „Randkanäle“, also elektrische Ringströme. In diesem Zustand ist der Hallwiderstand ρxy bei verschwindendem Magnetfeld quantisiert und nimmt den Wert der von-Klitzing-Konstanten h/e2 an, wobei gleichzeitig die Längsleitfähigkeit ρxx verschwindet.

Der quantisierte anomale Hall-Effekt tritt in topologischen Isolatoren auf. Das sind neuartige, erst vor wenigen Jahren entdeckte Festkörper, die nur an der Oberfläche elektrisch leitend sind. Sie zeigen in ferromagnetischer Form einen Hall-Widerstand, der in dünnen Schichten und bei tiefen Temperaturen auch ohne äußeres Magnetfeld quantisiert ist und den Wert der von-Klitzing-Konstante h/e2 aufweist. Bei den Untersuchungen der PTB wurde als topologischer Isolator ein mittels Molekularstrahl- Epitaxie in der Universität Würzburg hergestellter ferromagnetischer Vanadium-(BixSb1–x)2Te3-Mischkristall genutzt. Der anomale Hall-Effekt in solchem und ähnlichem Material sowie dessen theoretisch vorhergesagte Quantisierung ohne äußeres Magnetfeld wurden bereits vor einiger Zeit nachgewiesen, allerdings nur mit relativen Messunsicherheiten von etwa 10−4. Wäre der Effekt wirklich präzise, könnte er in der elektrischen Quantenmetrologie in Zukunft zu Bauelementen führen, in denen quantisierte Hall-Normale für den elektrischen Widerstand mit den nur ohne Magnetfeld funktionierenden Josephson- Spannungs-Normalen auf einem Chip kombiniert werden könnten. Allerdings beherrschen bisher weltweit nur wenige Forschergruppen die diffizile Herstellung dieser Kristalle mit Molekularstrahlepitaxie. Außerdem ist der ferromagnetische Zustand der Kristalle zurzeit noch so empfindlich, dass entgegen theoretischer Abschätzung nur bei extrem tiefen Temperaturen im Millikelvin-Bereich und bei sehr kleinen Mess-Stromstärken von wenigen Nanoampere eine Quantisierung sichtbar wird.

In Zusammenarbeit mit der Gruppe der Universität Würzburg gelang es nun, bei Stromstärken von wenigen Nanoampere die Quantisierung ohne Magnetfeld mit einer Messunsicherheit von 2,5 · 10−7 nachzuweisen, also fast drei Größenordnungen geringer als die bisherige Messunsicherheit. Für diese Messungen wurde die in der PTB entwickelte Kryo- Stromkomparator-Messbrücke eingesetzt, die sich zuletzt auch beim Nachweis der präzisen Quantisierung im fraktionalen Quanten-Hall-Regime bewährt hatte (Opens internal link in current windowsiehe PTB-News 1.2018).

Das Ergebnis untermauert die Hoffnung, dass der quantisierte anomale Hall-Effekt, trotz vieler noch unverstandener Details, in Zukunft in der elektrischen Metrologie in einfacheren Messaufbauten ohne Magnetfelder eingesetzt werden könnte.

Ansprechpartner

Franz Ahlers
Fachbereich 2.6
Elektrische Quantenmetrologie
Telefon: (0531) 592-2600
Opens window for sending emailfranz.ahlers(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

M. Götz, K. M. Fijalkowski, E. Pesel, M. Hartl, S. Schreyeck, M. Winnerlein, S. Grauer, H. Scherer, K. Brunner, Ch. Gould, F. J. Ahlers, L. W. Molenkamp: Precision measurement of the quantized anomalous Hall resistance at zero magnetic field. Appl. Phys. Lett. 112, 072102 (2018)