Neues Teilchen könnte Grundlage energiesparender Elektronik bilden

Das erst im vergangenen Jahr entdeckte Weyl-Fermion bewegt sich in Materialien praktisch ohne Widerstand. Nun zeigen Forscher einen Weg, wie man es in elektronischen Bauteilen einsetzen könnte.

Elektronische Geräte verbrauchen heute viel Energie und müssen aufwendig gekühlt werden. Ein Ansatz für die Entwicklung von zukünftiger energiesparender Elektronik ist, besondere Teilchen zu nutzen, die nur im Inneren von Materialien existieren, sich dort aber praktisch ungestört bewegen. Elektronische Bauteile auf Grundlage dieser sogenannten Weyl-Fermionen würden deutlich weniger Energie verbrauchen als heutige Chips. Denn bislang wird die Bewegung von Elektronen genutzt, die jedoch im Material Widerstand erfährt und daher zu Energieverlusten führt. Weyl-Fermionen sind erst im vergangenen Jahr von mehreren Forscherteams – darunter Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI – nachgewiesen worden. Nun haben Forschende des PSI im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit Kollegen von zwei Forschungseinrichtungen in China und von den beiden ETH in Zürich und Lausanne gezeigt, dass es Materialien gibt, in denen nur eine Art Weyl-Fermion existiert. Das ist für den Einsatz in elektronischen Bauteilen entscheidend, weil es dadurch möglich wird, den Fluss der Teilchen im Material gezielt zu steuern. Die Forschenden berichten über ihre Ergebnisse im Fachjournal Nature Communications.

Im vergangenen Jahr gehörten Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI zu denen, die ein bereits in den 1920er Jahren vorausgesagtes Teilchen experimentell nachgewiesen haben – das Weyl-Fermion. Zu den Besonderheiten des Teilchens gehört, dass es nur im Inneren von Materialien existieren kann. Nun haben die PSI-Forschenden zusammen mit Kollegen zweier chinesischer Forschungseinrichtungen sowie von den beiden ETH in Zürich und Lausanne eine Nachfolgeentdeckung gemacht, die die Möglichkeit eröffnet, die Bewegung von Weyl-Fermionen in zukünftigen elektronischen Geräten zu nutzten. Solche Geräte würden deutlich kleiner und energiesparender sein als ihre heutigen Entsprechungen.

Heutige Computerchips nutzen den Fluss von Elektronen, die sich durch die Drähte des Bauteils bewegen. Da Elektronen auf ihrem Weg immer wieder miteinander oder auch mit anderen Teilchen im Material kollidieren, ist relativ viel Energie notwendig, um den Fluss aufrechtzuerhalten. Dadurch verbraucht das Gerät nicht nur viel Energie, es heizt sich auch stark auf, sodass eine aufwendige Kühlung nötig wird, die zusätzlichen Platz und Energie benötigt.

Weyl-Fermionen bewegen sich dagegen so gut wie ungestört durch das Material, spüren also praktisch keinen Widerstand. „Man kann das mit einer Autofahrt auf einer Autobahn vergleichen, auf der sich alle Autos ungehindert in dieselbe Richtung bewegen. Der Elektronenfluss in heutigen Chips erinnert hingegen eher an eine Fahrt in einer engen Stadt, in der Autos aus verschiedenen Richtungen kommen und einander behindern“, erklärt Ming Shi, leitender Wissenschaftler am PSI.

Wichtig für Elektronik: nur eine Sorte Teilchen

Während in den Materialien, die im vergangenen Jahr untersucht wurden, stets mehrere Arten von Weyl-Fermionen auftraten, die sich auf unterschiedliche Weise bewegen, haben die PSI-Forschenden und ihre Kollegen nun ein Material vorgestellt, in dem nur ein Typ Weyl-Fermion vorkommt. „Das ist wichtig für Anwendungen in der Elektronik, weil man hier im Stande sein muss, den Teilchenfluss genau zu steuern“, erklärt Nan Xu, der als Postdoktorand am PSI arbeitet.

Weyl-Fermionen sind nach dem deutschen Mathematiker Hermann Weyl benannt, der deren Existenz bereits im Jahr 1929 vorausgesagt hat. Diese Teilchen haben einige auffällige Eigenschaften; so haben sie zum Beispiel keine Masse und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit. Weyl-Fermionen wurden als Quasiteilchen in sogenannten Weyl-Halbmetallen beobachtet. Im Gegensatz zu „wirklichen“ Teilchen können Quasiteilchen nur im Inneren von Materialien existieren. Weyl-Fermionen entstehen durch die gemeinsame Bewegung der Elektronen in geeigneten Materialien. Allgemein lassen sich Quasiteilchen mit Wellen auf einer Wasseroberfläche vergleichen: Die Wellen würden ohne das Wasser nicht existieren. Gleichzeitig ist ihre Bewegung unabhängig von der Bewegung des Wasserkörpers.

Das Material, das die Forschenden nun untersucht haben, ist eine Verbindung der chemischen Elemente Tantal und Phosphor und trägt die chemische Formel TaP. Die entscheidenden Experimente wurden mit Röntgenlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts durchgeführt.

Neuartige Materialien zu untersuchen, die Eigenschaften haben, wie sie in zukünftigen elektronischen Geräten nützlich sein könnten, ist ein zentrales Forschungsgebiet des Paul Scherrer Instituts. Dabei verfolgen die Forschenden vielfältige Ansätze und nutzen zahlreiche unterschiedliche Untersuchungsmethoden.

Literatur
Observation of Weyl nodes and Fermi arcs in tantalum phosphide, N. Xu, H. M. Weng, B. Q. Lv, C. E. Matt, J. Park, F. Bisti, V. N. Strocov, D. Gawryluk, E. Pomjakushina, K. Conder, N. C. Plumb, M. Radovic, G. Autès, O. V. Yazyev, Z. Fang, X. Dai, T. Qian, J. Mesot, H. Ding and M. Shi
Nature Communications, 17. März 2016; DOI: 10.1038/NCOMMS11006 Link: http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS11006

Quelle
Paul Scherrer Institut (PSI)