Graphen schützt Quantenkanäle: Chemnitzer Forschende weisen außergewöhnliche elektronische Zustände nach
Forschungsteam der TU Chemnitz zeigt, dass die besonderen elektronischen Eigenschaften des zweidimensionalen Quantenmaterials Bismuthen unter einer schützenden Graphenschicht erhalten bleiben – Ergebnisse wurden in „ACS Nano“ veröffentlicht
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Mit diesem Rastertunnelmikroskop wurden bei einer Temperatur von 4,5 Kelvin die elektronischen Randzustände nachgewiesen und anschließend detailliert analysiert. Foto: Jacob Müller
Elektronische Bauelemente, in denen elektrische Ströme nahezu verlustfrei fließen können, gelten als vielversprechende Perspektive für die Informationstechnologie der Zukunft. Ein Forschungsteam des Instituts für Physik der Technischen Universität Chemnitz hat nun besondere metallische Zustände an den Rändern einer atomar dünnen Bismut-Schicht nachgewiesen, obwohl diese vollständig von Graphen bedeckt ist. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht.
Im Mittelpunkt steht Bismuthen, eine nur eine Atomlage dicke Schicht aus Bismut. Das Material gehört zu den sogenannten zweidimensionalen topologischen Isolatoren: Während sein Inneres innerhalb eines bestimmten Energiebereichs elektrisch isolierend ist, können sich Elektronen entlang seiner Ränder bewegen. Diese besonderen Randzustände sind mit dem Quanten-Spin-Hall-Effekt verbunden und könnten künftig für energieeffiziente elektronische Bauelemente von Bedeutung sein.
Graphen dient als atomar dünne Schutzschicht
Eine Herausforderung besteht darin, solche empfindlichen Materialien vor Umgebungseinflüssen zu schützen, ohne ihre außergewöhnlichen Quanteneigenschaften zu verändern. Den Chemnitzer Forschenden gelang es, Bismuthen gezielt zwischen einem Siliziumkarbid-Substrat und einer darüberliegenden Graphenschicht herzustellen. Dabei entstanden nanoskalige Bismuthen-Inseln mit klar definierten atomaren Rändern.
„Die besondere Herausforderung bestand darin, das nur eine Atomlage dünne Bismuthen gezielt unter einer Graphenschicht herzustellen, ohne seine außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Durch die Kombination einer kontrollierten Präparation mit photoelektronenspektroskopischen Untersuchungen konnten wir zeigen, dass beide Materialien nur schwach miteinander wechselwirken. Das Graphen wirkt damit wie eine atomar dünne Schutzschicht“, erläutert Prof. Dr. Thomas Seyller vom Institut für Physik der TU Chemnitz.
Theorie und Experiment bestätigen außergewöhnliche Eigenschaften
Mithilfe der Rastertunnelmikroskopie und Rastertunnelspektroskopie untersuchten die Forschenden die elektronischen Eigenschaften der Bismuthen-Inseln bei Temperaturen von bis zu minus 269 Grad Celsius. Dabei zeigte sich eine große elektronische Bandlücke von etwa 0,5 Elektronenvolt im Inneren der Inseln, während an ihren Rändern charakteristische metallische Zustände nachweisbar waren. Quantenmechanische Berechnungen auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie bestätigten die experimentellen Ergebnisse und zeigten, dass die schwache Wechselwirkung mit Graphen die elektronischen Eigenschaften des Bismuthens weitgehend erhält.
„Unsere quantenmechanischen Berechnungen helfen uns zu verstehen, warum die besonderen elektronischen Eigenschaften des Bismuthens auch unter einer Graphenschicht erhalten bleiben. Entscheidend ist das Zusammenspiel zwischen der atomaren Struktur, der starken Spin-Bahn-Kopplung im Bismut und der vergleichsweise schwachen Wechselwirkung mit dem Graphen. Die gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment liefert eine wichtige Grundlage für die gezielte Entwicklung weiterer topologischer Materialien“, erklärt Prof. Dr. Sibylle Gemming vom Institut für Physik und Forschungszentrum MAIN der TU Chemnitz.
Hinweise auf besondere Quanteneffekte
Neben den metallischen Randzuständen fanden die Forschenden Hinweise auf ein außergewöhnliches Verhalten der Elektronen entlang der atomar definierten Kanten. Die Messungen stimmen mit dem Modell einer sogenannten Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit überein. Dieses beschreibt Elektronen in eindimensionalen Systemen, deren Verhalten maßgeblich durch gegenseitige Wechselwirkungen bestimmt wird.
„Besonders faszinierend ist, dass wir die metallischen Randzustände des Bismuthens durch die darüberliegende Graphenschicht hindurch mit atomarer Präzision untersuchen können. Unsere Messungen zeigen nicht nur, dass diese Zustände erhalten bleiben, sondern liefern auch Hinweise auf starke Wechselwirkungen zwischen den Elektronen entlang der eindimensionalen Kanten. Damit haben wir eine vielversprechende Plattform geschaffen, um grundlegende Quantenphänomene zu erforschen. Mit unserem neuen 4-Spitzen STM können wir diese 1D-Kanäle im kommenden Jahr direkt vermessen und etwaige Korrelationseffekte bestimmen“, sagt Prof. Dr. Christoph Tegenkamp vom Institut für Physik der TU Chemnitz.
Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, topologische Quantenzustände in geschützten Materialsystemen zu untersuchen. Langfristig könnten solche Strukturen für Anwendungen in der Spintronik, Quantenelektronik und energieeffizienten Informationstechnologie interessant werden. Der direkte Nachweis eines verlustarmen elektrischen Transports entlang der geschützten Randkanäle steht allerdings noch aus.
An der Veröffentlichung beteiligt waren Huu Thoai Ngo, Zamin Mamiyev, Niclas Tilgner, Andres David Peña Unigarro, Prof. Dr. Sibylle Gemming, Prof. Dr. Thomas Seyller und Prof. Dr. Christoph Tegenkamp. Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Forschungsgruppe FOR 5242 gefördert.
Originalveröffentlichung: Huu Thoai Ngo et al.: „Protected Metallic Edge States in a Graphene-Capped Quantum Spin Hall System“, ACS Nano (2026) 20 (40): 27472–27481.
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.6c14197
Weitere Informationen erteilt der Sprecher der DFG-Forschungsgruppe FOR 5242, Prof. Dr. Christoph Tegenkamp, Institut für Physik der Technischen Universität Chemnitz, Telefon +49 (0)371 531-33103, E-Mail christoph.tegenkamp@physik.tu-chemnitz.de.
(Autor: Prof. Dr. Christoph Tegenkamp)
Mario Steinebach
19.10.2026
