7. August 2026
Mangan-Bismuttellurid (MnBi2Te4) gilt als vielversprechendes Material der topologischen Quantenforschung. Bisherige Messungen lieferten jedoch widersprüchliche Ergebnisse. Forschende des Forschungszentrums Jülich und des Oak Ridge National Laboratory haben nun eine mögliche Erklärung gefunden.
MnBi2Te4 vereint zwei seltene Eigenschaften: topologische Oberflächenzustände und intrinsischen Magnetismus. Das Besondere: Die magnetischen Manganatome sind fester Bestandteil des Kristallgitters und müssen nicht nachträglich in das Material eingebracht werden.
Der Kristall besteht aus übereinandergestapelten Blöcken. Innerhalb eines Blocks richten sich die magnetischen Momente parallel aus, in benachbarten Blöcken dagegen antiparallel. Die Zahl der Blöcke wird damit zu einem Stellknopf für die elektronischen Eigenschaften: Dünne Proben mit ungerader Blockzahl können einen quantenanomalen Hall-Zustand ausbilden, bei gerader Blockzahl ist ein Axion-Isolator möglich.
Im quantenanomalen Hall-Zustand fließt Strom nur in eine Richtung entlang der Probenkante und im Idealfall nahezu ohne Energieverlust. Langfristig könnte das für energiesparende Elektronik und antiferromagnetische Spintronik interessant sein.
Ein Axion-Isolator ist dagegen elektrisch isolierend, weist aber eine besondere quantisierte Kopplung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern auf. Daraus ergeben sich Perspektiven für magnetoelektrische und optische Quanteneffekte. Noch handelt es sich jedoch um Grundlagenforschung: Die Effekte treten bislang nur unter speziellen Bedingungen und bei tiefen Temperaturen auf.
Eine zentrale Rolle spielt die Energielücke der topologischen Oberflächenzustände. Gemeint ist kein räumlicher Spalt, sondern ein Energiebereich, in dem keine elektronischen Zustände verfügbar sind. In Experimenten fiel diese Lücke jedoch häufig kleiner aus als erwartet oder ließ sich gar nicht nachweisen. Dadurch können unerwünschte Leitungswege entstehen, und die topologischen Eigenschaften des Materials lassen sich nur schwer kontrollieren.
Forschende des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-3) und des Oak Ridge National Laboratory (USA) haben nun eine mögliche Ursache identifiziert: sogenannte Antisite-Defekte. Dabei besetzen Atome den falschen Platz im Kristallgitter. Der topologische Oberflächenzustand wird dadurch nicht unmittelbar zerstört, seine quantenmechanische Wellenfunktion verlagert sich jedoch von der äußersten Atomlage in tiefere Schichten des Materials.
Für besonders oberflächenempfindliche Messverfahren wird er damit nahezu unsichtbar, während Methoden mit größerer Eindringtiefe ihn weiterhin erfassen können. Mithilfe von Rastertunnelmikroskopie, Photoemissionsspektroskopie und theoretischer Modellierung konnten die Forschenden zeigen: Je mehr Fehlbesetzungen vorhanden sind, desto tiefer „taucht“ der Oberflächenzustand ab.
Die Ergebnisse erklären, warum frühere Messungen teils widersprüchlich ausfielen. Zugleich zeigen sie, wie entscheidend die Kontrolle atomarer Defekte ist. Lassen sich Fehlbesetzungen gezielt steuern, könnte MnBi2Te4 langfristig zu einer verlässlichen Plattform für topologische und spintronische Bauelemente werden.
Felix Lüpke, Marek Kolmer, Hengxin Tan, Hao Chang, Adam Kaminski, Binghai Yan, Jiaqiang Yan, Wonhee Ko, An-Ping Li
Defect-Induced Displacement of Topological Surface State in Quantum Magnet MnBi2Te4
Phys. Rev. Lett. (2026), DOI: https://doi.org/10.1103/pt1j-996m
Group leader at Peter Grünberg Institute (PGI-3)
