Topologie durch verlustfreien Ladungstransport in Platin-Bismut enthüllt

Überblick

Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung des IFW Dresden und des Würzburg- Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat hat im Material Platin-Bismut ein neues Transportphänomen entdeckt. Zum ersten Mal konnte darin ein eindeutiges Signal für verlustfreien Ladungstransport in topologischen Knotenlinien-Semimetallen nachgewiesen werden. Diese Entdeckung kann als neue Signatur der Topologie solcher Materialien gelten und eröffnet wichtige Perspektiven für die Entwicklung zukünftiger Anwendungen von topologischen Eigenschaften. Die Ergebnisse erschienen im Juli 2025 in Nature Communications.

Raumtemperatur-stabiles Quersignal in PtBi₂

Im Zentrum der Studie steht das Material Platin-Bismut (PtBi₂), ein topologisches Semimetall. Derartige Materialien verfügen über außergewöhnliche elektrische Eigenschaften. Eine Besonderheit von PtBi2 sind sogenannte topologische Knotenlinien, die bisher jedoch nicht im Stromtransport nachgewiesen wurden. Das Team konnte nun zeigen, dass sich schon durch den Einsatz winzig kleiner Magnetfelder die besonderen elektronischen Strukturen in PtBi₂ gezielt verändern lassen. Dabei wandeln sich die „Knotenlinien“ in „Knotenpunkte“ um. Diese spezielle topologische Transformation erzeugt in der Quantenstruktur des Kristalls ein elektromagnetisches Signal, das mit Standard- Transportmessungen zugänglich ist. In den Untersuchungen stellte das Team zudem den bisher unbekannten Effekt einer Winkelabhängigkeit fest: Wenn man Strom durch das Material schickt und gleichzeitig ein Magnetfeld anlegt, ändert sich der seitliche Widerstand in einer ganz bestimmten Abhängigkeit vom Winkel des Magnetfelds. Diese Beobachtungen ermöglichen eine gezielte Beeinflussung der Materialeigenschaften durch die Veränderung des eingesetzten Magnetfelds. Bemerkenswert ist, dass dieser Effekt ohne Energieverluste auftritt – und dieses beobachtete „Quersignal“ zudem bis hin zu Raumtemperatur stabil bleibt. Damit unterscheidet er sich grundlegend von vielen anderen Quantenphänomenen, die nur bei extrem tiefen Temperaturen auftreten.

Bedeutung für Forschungsmethoden und zukünftige Technologien

Die Entdeckung liefert nicht nur einen neuen Weg, um die besondere Topologie solcher Materialien zu untersuchen, sondern öffnet auch Perspektiven für die Steuerung dieser Topologie. Das macht PtBi₂ und ähnliche Materialien zu vielversprechenden Kandidaten für künftige Technologien.