Neue Quantenphänomene Halbleiter erstmals mit Supraleiter verbunden

Superdünne Halbleiter versprechen einzigartige Besonderheiten, die sonst nur sehr schwer zu beherrschen sind, wie zum Beispiel die Kontrolle von magnetischen Eigenschaften von Elektronen durch elektrische Felder. Daneben spielen sich in diesen Halbleiter-Monolagen komplexe quantenmechanische Phänomene ab, die in der Quantentechnologie genutzt werden können.

Wissenschaftler weltweit forschen daran, die dünnen Halbleiter zu neuen synthetischen Materialien, sogenannten Van-der-Waals-Heterostrukuren, zu stapeln. Ihnen ist es bisher jedoch nicht gelungen, eine Monolage mit supraleitenden Kontakten zu verknüpfen, um damit die Eigenschaften und Besonderheiten der neuen Materialien noch weiter zu erforschen.

Neuartige physikalische Phänomene

Ein Team von Physikern um Dr. Andreas Baumgartner in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Christian Schönenberger, beide am Swiss Nanoscience Institute und am Departement Physik der Universität Basel, haben nun erstmals eine Monolage des Halbleiters Molybdändisulfid mit supraleitenden Kontakten versehen. Diese Verknüpfung von Halbleiter und Supraleiter ist interessant, weil Fachleute in solchen Bauteilen neue Eigenschaften und physikalische Phänomene erwarten.

„Wir können uns vorstellen, dass in einem Supraleiter die Elektronen sich wie beim Paartanz zu Paaren anordnen, mit phantastischen Konsequenzen, wie zum Beispiel, dass Strom ohne Widerstand geleitet wird“, erklärt Baumgartner, Projektleiter der Studie. „Im Halbleiter Molybdändisulfid tanzen die Elektronen hingegen einen ganz anderen, sonderbaren Einzeltanz, der auch deren magnetische Eigenschaften beinhaltet. Wir möchten jetzt herausfinden, auf welche neuartigen Tänze die Elektronen sich einigen, wenn wir solche Materialien kombinieren.“

Zukünftig noch mehr Möglichkeiten

Die elektrischen Messungen bei den für Supraleitung nötigen tiefen Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt zeigen klare Effekte durch den Supraleiter, wie zum Beispiel, dass Elektronen des Halbleiters bei bestimmten Energien nicht mehr einzeln, sondern nur noch als Paare auftreten. Zudem fanden die Forschenden auch Hinweise auf eine starke Kopplung zwischen der Halbleiterschicht und dem Supraleiter.

„Eine starke Kopplung ist wichtig für spannende und neue physikalische Phänomene, die wir in derartigen Van-der-Waals-Heterostrukturen erwarten, aber noch nie zeigen konnten“, beschreibt Mehdi Ramezani, Erstautor der Studie. Und Baumgartner verrät: „Natürlich hoffen wir immer auf Anwendungen in der Elektronik und der Quantentechnologie. Die von uns entwickelten vertikalen Kontakte zu den Halbleiterschichten lassen sich prinzipiell auf eine Vielzahl von Halbleitern anwenden. Unsere Messungen zeigen, dass solche hybriden Monolagen-Halbleiter-Bauteile durchaus möglich sind – vielleicht auch mit anderen, noch außergewöhnlicheren Kontaktmaterialien, die noch weitere neue Erkenntnisse ermöglichen würden.“