21. Mär 2016

Ein Teil des PSI-Forschungsteams, das die Möglichkeiten der Nutzung von Weyl-Fermionen in elektronischen Geräten untersucht hat, an der Strahllinie SIS an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz. ©Bild: Paul Scherrer Institut PSI

PSI: Neues Teilchen als Grundlage energiesparender Elektronik

(PM) 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.

Kleinere und energiesparende Geräte
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 nutzen. 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.

Ungestört durch das Material
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.

Chemische Formel: TaP
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.

Text: Paul Scherrer Institut PSI, Paul Piwnicki

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