Überraschende Entdeckung: Rund ein Viertel aller bekannten Feststoffe zeigt ein exotisches elektrisches Verhalten – weit mehr als gedacht. Demnach sind solche topologischen Materialien keineswegs seltene Exoten, sondern vielmehr eine durchaus gängige Spielart der Natur, wie der erste Katalog dieser Stoffe nun enthüllt. Diese Erkenntnis könnte eine ganz neue Ära der Materialforschung einläuten, so die Forscher im Fachmagazin „Nature“.
Sie galten bisher als die absoluten Ausnahmen unter den kristallinen Materialien: Substanzen, die bei ultrakalten Temperaturen oder in ultradünnen Schichten plötzlich einen exotischen Zustand einnehmen. Einige werden zum Supraleiter und lassen Elektronen widerstandsfrei passieren. Andere, wie Helium-4, werden zum Superfluid – reibungslosen Flüssigkeiten, die Wände hochfließen kann und unendlich rotierende Wirbel bildet.
Nur vereinzelte Exoten?
Was es mit diesem Phänomen auf sich hat, haben Forscher erst im Laufe der letzten gut 30 Jahre enträtselt. 2016 bekamen drei britische Physiker für die Erforschung dieser sogenannten topologischen Materialien den Physiknobelpreis. Inzwischen ist bekannt, dass die ungewöhnlichen Eigenheiten dieser Stoffe auf eine komplexe Wechselwirkung ihrer Atomstruktur, der Symmetrie im Kristall und dem Elektronenverhalten zurückgeht.
Doch wie viele topologische Materialien es in der Natur gibt, war bisher unbekannt. „Die gängige Annahme war jedoch, dass diese Stoffe nur einen winzigen Teil aller natürlichen Materialien ausmachen“, erklären Zhijun Wang von der Princeton University und sein Team. Unter den gut 100.000 bekannten anorganischen Feststoffen waren nur ein paar hundert solcher Exoten bekannt, bei Übergangsmetallen sogar nur 20.
