Europhysics Prize für Jochen Mannhart

Die Europäische Physikalische Gesellschaft würdigt die Entdeckungen des Max-Planck-Direktors in der Nanoelektronik

Jochen Mannhart, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, ist zusammen mit den Wissenschaftlern Harold Hwang (Stanford University) und Jean-Marc Triscone (Universität Genf) mit dem Europhysics Prize ausgezeichnet worden. Die Forscher haben mit ihrer Arbeit einen wichtigen Schritt gemacht, um Chips für Computer und Handys zukünftig noch kleiner und energiesparender zu machen. Sie haben entdeckt, dass sich an der Grenze zwischen zwei elektrisch isolierenden Oxiden eine dünne leitfähige Schicht bildet – vielleicht der Schlüssel, um Transistoren für die Mikroelektronik künftig nicht mehr aus Halbleitern, sondern Metalloxiden zu bauen.

Minus mal Minus ergibt Plus: Was jeder aus der Schule kennt, begegnet einen im Alltag eher selten. Die Physik dagegen ist immer wieder für Überraschungen solcher Art gut. Die Forscher um Jochen Mannhart und seine Mitpreisträger Harold Y. Hwang und Jean-Marc Triscone machten in ihrer Arbeit  eine entsprechende Entdeckung: Bei den Stoffen Lanthanaluminat und Strontiumtitanat handelt es sich um hervorragende elektrische Isolatoren. Wenn Jochen Mannhart und seine Kollegen sie aber übereinanderschichten, so wird der Bereich zwischen den Materialien kurioserweise leitend.

Offenbar bildet sich im Übergangsbereich zwischen den unterschiedlichen Stoffen ein System aus, durch das sich Elektronen gut bewegen können, gleichzeitig können diese untereinander ihre Energieniveaus betreffende Informationen austauschen und sich damit organisieren. Bei ausreichend niedriger Temperatur geht die Elektronenflüssigkeit gar in den supraleitenden Zustand über, leitet Strom also ohne elektrischen Widerstand. Die Forscher bezeichnen dieses System als eine Elektronenflüssigkeit. Da es sich um eine nur etwa zwei Nanometer, also zwei Millionstel Millimeter dünne Schicht handelt, ist diese Flüssigkeit zweidimensional. Die Europäische Physikalische Geslleschaft zeichnet Jochen Mannhart, Harold Y. Hwang und Jean-Marc Triscone für die Forschung an zweidimensionalen Elektronenflüssigkeiten nun mit dem Europhysics Prize 2014 aus.

Systeme mit vergleichbaren Leitungseigenschaften, kannten Physiker bisher nur von bestimmten Halbleitern. Diese wurden bislang vor allem in sogenannten Hochfrequenztransistoren eingesetzt, kleine Bauteile, die sich zum Beispiel in Handys finden. „Die Halbleiterelektronik hat ein großes Problem“, sagt Mannhart, „es geht bald nicht mehr schneller. Man möchte immer leistungsstärkere und kompaktere Geräte bauen, doch Chips mit Transistoren auf Basis von Halbleitern funktionieren in kleinen Dimensionen irgendwann nicht mehr.“

Hier könnten die Oxide Abhilfe schaffen: Transistoren, bei denen der Strom durch die  Elektronenflüssigkeit zwischen zwei Metalloxiden fließt, würden möglicherweise weniger Platz benötigen. In einem Transistor muss sich schnell die Leitfähigkeit ändern lassen, denn zwei unterschiedliche Werte der Leitfähigkeit stehen für die „Null“ und die „Eins“ eines Datenbits. Für die Elektronenflüssigkeit kein Problem – durch das Anlegen und Abschalten einer kleinen Spannung schaltet sie zwischen den Zuständen metallisch leitend und isolierend hin und her. Bei tiefen Temperaturen ändert eine Spannung das System sogar vom Isolator zum Supraleiter. Auf diese Weise schalten auch herkömmliche  Transistoren, bei ihnen sind allerdings deutlich höhere Spannungen nötig, bei denen mehr Wärme frei wird. Da bei Transistoren aus Metalloxiden niedrigere Spannungen zum Schalten reichen, muss bei ihnen weniger Wärme abgeführt werden. Das spart nicht nur Energie, sondern erlaubt es auch Transistoren auf Chips dichter zu packen.

Mannharts Team fand zudem heraus, dass die beiden Isolatoren eine gewisse Dicke besitzen müssen, damit sich die Elektronenflüssigkeit an der Grenzschicht zwischen beiden ausbildet. „Das liegt daran, dass die Elektronen gewissermaßen in diesen Zwischenraum hineingezogen werden“, erklärt Jochen Mannhart. Die Lanthanaluminat-Schicht ist polarisiert: Auf der einen Seite bildet sie einen negativen Pol, auf der anderen Seite einen positiven. Ab einer Schichtdicke von genau vier Atomlagen reicht diese Polarisation aus, um Elektronen in die Grenzschicht zu treiben, die dort für die Leitfähigkeit sorgen.  

Nun arbeitet das Team daran, Transistoren aus den Oxiden herzustellen und möglichst platzsparend auf einem Chip unterzubringen. Außerdem hegen die Forscher die Hoffnung, aus geeigneten Metalloxiden eines Tages Supraleiter erzeugen zu können, die schon bei hohen Temperaturen ihren Widerstand verlieren. „Das wäre schön“, sagt Mannhart, „bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg.“

MMG