Größere Festplatten und schnellere Transistoren

Oxford University entdeckt Graphen-artiges dreidimensionales Material

| Redakteur: Nico Litzel

EIn Diagramm der Energieniveaus von Elektronen in Na3Bi das zeigt, dass dieses Vollmaterial ähnliche Eigenschaften wie Graphen hat.
EIn Diagramm der Energieniveaus von Elektronen in Na3Bi das zeigt, dass dieses Vollmaterial ähnliche Eigenschaften wie Graphen hat. (Bild: OU/Yulin)

Ein internationales Forscherteam hat ein Material entdeckt, das ähnlich positive Eigenschaften wie Graphen aufweist, jedoch im Gegensatz zu diesem in drei Dimensionen vorliegt.

Graphen leitet fast ohne Widerstand, hat aber einen Nachteil: Die Kohlenstoffmodifikation ist zweidimensional. Ein internationales Forscherteam, bestehend aus Wissenschaftlern der Oxford University, von Diamond Light Source, des Rutherford Appleton Laboratory, der Stanford University und des Berkeley Lab's Advanced Light Source, hat jetzt entdeckt, dass Natriumbismutat in Form einer Quantenmaterie auftreten kann, die die Forscher „Dreidimensionales topologisches Dirac-Semi-Metall“ (3DTDS) bezeichnen.

„Das 3DTDS, das wir entdeckt haben, hat viel gemein mit Graphen und ist wahrscheinlich in Bezug auf die Elektronenmobilität genauso gut oder sogar besser – ein Maß, sowohl wie schnell als auch wie effizient sich ein Elektron durch ein Material bewegen kann“, erklärt Dr. Yulin Chen vom Fachbereich Physik der Oxford University und Hauptautor des Berichts.

Basis für schnellere und effizientere Spintronikbauelemente

Im Gegensatz zu Graphen „erinnern“ sich nach Angaben von Chen die Elektronen auf der Oberfläche des 3DTDS an ihren Spin. Das ist eine Quanteneigenschaft, die sich in etwa mit der Ausrichtung von winzigen Magneten vergleichen lässt, die zur Speicherung und zum Auslesen von Daten verwendet werden können. Daraus folgt, dass sich die magnetische Information direkt über einen elektrischen Strom transferieren lässt. Das könnte nach Einschätzung der Forscher zu schnelleren und effizienteren Spintronikbauelementen führen.

„Eine wichtige Eigenschaft dieses neuen Materialtyps ist dessen Magnetowiderstand, also wie sich der elektrische Widerstand ändert, wenn ein Magnetfeld angelegt wird“, so Chen weiter. „In typischen Riesenmagnetowiderstandmaterialen ändert sich der Widerstand in einem Bereich von einigen zehn Prozent und erreicht dann eine Sättigung. Bei 3DTDS dagegen verändert sich der Widerstand um Hunderte oder Tausende Prozent – und das ohne eine Sättigung mit dem externen Magnetfeld. Mit diesem viel größeren Effekt ließe sich eine Festplatte schaffen, die eine höheren Intensität, eine höhere Geschwindigkeit und einen geringeren Stromverbrauch aufweist – beispielsweise ließe sich eine Ein-Terabyte-Festplatte in ein Laufwerk verwandeln, das bei identischer Größe zehn Terabyte speichern kann.“

Forschung steckt in den Kinderschuhen

Zwar ist Natriumbismutat nach Auskunft der Forscher zu instabil, um es in Geräten ohne adäquate Verpackung verwenden zu können. Allerdings dürfte die Entdeckung einen Ansturm auf die Erforschung vieler anderer Materialien auslösen, die im gleichen Quantenzustand existieren können. Chen: „Jetzt da wir bewiesen haben, dass diese Art von Materialen existiert und dass solche Verbindungen eine der höchsten Elektronenbeweglichkeit von allen bisher entdeckten Materialen aufweist, beginnt das Rennen nach der Suche nach weiteren derartigen Materialien und deren Anwendungen – ebenso wie nach weiteren Materialen mit einer ungewöhnlichen Topologie in ihrer elektronischen Struktur.“

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