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Darstellung der Bewegung von Wassermolekülen auf topologischem Isolator © Anton Tamtögl
Darstellung der Bewegung von Wassermolekülen auf topologischem Isolator © Anton Tamtögl

APA

Topologische Isolatoren: Neue Einblicke in Wechselwirkung mit Wasser

16.01.2020

Diese Meldung ist Teil einer wöchentlichen Zusammenfassung für den APA-Science-Newsletter Nr. 02/2020 und nicht zwingend tagesaktuell

Sogenannte topologische Isolatoren sind ein heißes Eisen der Materialphysik. Ihre Eigenschaften könnten die Entwicklung von Quantencomputern entscheidend beschleunigen. Wie sich Wassermoleküle auf dem neuartigen Material verhalten, haben Experimentalphysiker der Technischen Universität Graz untersucht und im Fachjournal "Nature Communications" darüber berichtet.

Isolatoren leiten eigentlich keinen Strom. Topologische Isolatoren weisen allerdings in ihrem Inneren andere Eigenschaften auf als an ihrer Oberfläche, wo sie nahezu wie perfekte Leiter funktionieren, die Strom fast verlustfrei transportieren. Die einzigartigen elektrischen Eigenschaften machen sie für Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie zur Signalübertragung ohne Erhitzung des Materials und auch die Entwicklung von Quantencomputern interessant. Mehr Wissen über die Vorgänge im Inneren und an der Oberfläche dieser Materialien ist daher gefragt.

Die Forschenden der Arbeitsgruppe "Exotic Surfaces" des Instituts für Experimentalphysik der TU Graz haben gemeinsam mit Kollegen vom Cavendish Laboratory in Cambridge, der University of Surrey und der Aarhus University das Verhalten von Wasser auf dem topologischen Isolator Bismuttellurid (Bi2Te3) im atomaren Maßstab untersucht, teilte die TU Graz mit. Wasserdampf wäre ja ein Umwelteinfluss, dem solche topologischen Isolatoren in gebauten Anwendungen mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgesetzt wären, wie der Grazer Experimentalphysiker Anton Tamtögl im Gespräch mit der APA erklärte.

Verhalten auf Bismuttellurid anders als auf Standardmetallen

Mit herkömmlichen Methoden ist die Wechselwirkung des leichten Wasser- und Sauerstoffatome mit Bismuttellurid allerdings schwer zu beobachten: "Die Bewegungen laufen im Pikosekundenbereich ab. Das ist ein Milliardstel einer Sekunde", verdeutlichte Tamtögl die Herausforderung. Das internationale Forscherteam musste daher ultraschnelle optische Techniken anwenden. Sie kombinierten im Labor theoretische Berechnungen mit einer neuen experimentellen Methode - der Helium-Spin-Echo-Spektroskopie. "Im Grunde funktioniert das wie ein Radar für Moleküle", stellte Tamtögl vereinfacht dar. Die Methode nutzt Heliumatome mit sehr niedriger Energie, die es erlauben, isolierte Wassermoleküle zu beobachten, ohne ihre Bewegung zu beeinflussen.

Dabei zeigte sich auf atomarer Ebene, dass sich Wassermoleküle auf Bismuttellurid gänzlich anders verhalten, als auf Standardmetallen. Dort zeigen Wassermoleküle anziehende Bewegungen und bilden Tröpfchen und Ansammlungen in Form von Wasserfilmen. Bei Bismuttellurid war genau das Gegenteil der Fall: Die Wassermoleküle stoßen sich ab, bleiben auf der Oberfläche isoliert und bilden keinen Wasserfilm. Die Signaturen der schnellen Diffusionsbewegungen würden auf "ungewöhnliche abstoßende Wechselwirkungen zwischen den Wassermolekülen" hindeuten, wie die Autoren festhielten.

Bismuttellurid scheint somit auch auf atomarer Ebene relativ unempfindlich gegenüber Wasser zu sein, was von Vorteil für Anwendungen unter herkömmlichen Umweltbedienungen ist. Weitere Experimente an ähnlich aufgebauten Oberflächen seien bereits in Planung und sollen weiter klären, ob die Bewegung der Wassermoleküle auf spezielle Eigenschaften der untersuchten Oberfläche zurück zu führen sind.

Service: A. Tamtögl, M. Sacchi, N. Avidor, Irene Calvo-Almazan et al.: "Nanoscopic diffusion of water on a topological insulator", Nature Communications, Jän. 2020. https://www.nature.com/articles/s41467-019-14064-7

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