Halbmetalle sind eine Klasse von Materialien, die Eigenschaften haben, die sowohl von Metallen als auch von Halbleitern bekannt sind. In den letzten Jahren wurde festgestellt, dass die in bestimmten neuartigen – sogenannten „topologischen“ – Halbmetallen fließenden Elektronen Eigenschaften haben, die von Teilchen aus der Hochenergiephysik bekannt sind. Eine neue Forschungskooperation zwischen der Universität Luxemburg und der Technischen Universität (TU) Dresden will das Potenzial der topologischen Halbmetalle erforschen.
Prof. Thomas Schmidt und Postdoktorand Dr. Eddwi Hesky Hasdeo von der Universität Luxemburg und ihr Partner Dr. Tobias Meng von der TU Dresden haben das dreijährige Forschungsprojekt TOPREL ins Leben gerufen, das die Physik der topologischen Halbmetalle mit der Allgemeinen Relativitätstheorie verbindet, die beispielsweise Objekte wie Schwarze Löcher beschreibt. Eines der zentralen Ziele ist es, den Fluss der Elektronen in diesen Materialien präzise zu steuern, um die Entwicklung neuartiger Quantentechnologien zu ermöglichen.
Um Strom gezielt leiten zu können, untersuchen Wissenschaftler/innen vor allem die Transporteigenschaften von Elektronen. Erstmals werden nun spezifische theoretische Grundlagen aus verschiedenen Bereichen der Physik zusammengeführt mit dem Ziel, das volle Potenzial der topologischen Semimetalle zu erschließen. Die Verknüpfung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik ist ein neuer Ansatz, der eine systematische Manipulation von Elektronen in Halbmetallen ermöglichen könnte. Hierfür wird die Krümmung der Raumzeit von schwarzen Löchern auf den Elektronenfluss übertragen. Die Kombination dieser beiden bisher weitgehend unverbundenen Theorien eröffnet völlig neue Möglichkeiten in diesem Forschungsfeld.
„Relativistische Halbmetalle sind eine wichtige neue Klasse von Materialien, die die Gemeinsamkeit haben, dass sich die in ihnen bewegende Elektronen wie Teilchen der Relativitätstheorie verhalten. Das macht es möglich, relativistische Effekte, die normalerweise große Energien erfordern, in viel einfacheren Laborexperimenten zu untersuchen. Das Projekt wird zu einer realistischeren Modellierung solcher Materialien führen, uns helfen, ihre elektronischen Eigenschaften in verschiedenen Temperaturregimen zu verstehen, und wird letztendlich ihre interessanten elektronischen Eigenschaften näher an Anwendungen in der Nanoelektronik bringen“, erklärt Prof. Thomas Schmidt.
Das Projekt wird vom Fonds National de la Recherche (FNR) und seiner deutschen Partnerorganisation Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit 950.000 Euro gefördert.