Natuurkundigen van de Universiteit van Würzburg hebben een verbazingwekkende ontdekking gedaan in een specifiek type topologische isolatoren. Het effect is te danken aan de structuur van de gebruikte materialen. De onderzoekers hebben hun werk nu gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Topologische isolatoren zijn momenteel het hot topic in de natuurkunde volgens de krant Neue Zürcher Zeitung. Nog maar een paar weken geleden, hun belang werd opnieuw benadrukt toen de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen in Stockholm dit jaar de Nobelprijs voor Natuurkunde toekende aan drie Britse wetenschappers voor hun onderzoek naar zogenaamde topologische faseovergangen en topologische fasen van materie.

Topologische isolatoren worden ook bestudeerd bij de afdelingen Experimentele Fysica II en Theoretische Fysica I van de Universiteit van Würzburg. Echter, ze richten zich op een speciale versie van isolatoren die topologische kristallijne isolatoren (TCI) worden genoemd. In samenwerking met de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau en de Universiteit van Zürich, Würzburgse natuurkundigen hebben nu een grote doorbraak bereikt. Ze waren in staat om nieuwe elektronische toestanden van materie in deze isolatoren te detecteren. De resultaten van hun werk zijn gepubliceerd in het laatste nummer van Wetenschap .

Stapranden sturen elektronen

Het centrale resultaat:wanneer kristallijne materialen worden gesplitst, aan de afgesplitste vlakken die door trapranden van elkaar gescheiden zijn ontstaan ​​kleine atomair vlakke terrassen. Binnen deze structuren Er ontstaan ​​geleidende kanalen voor elektrische stromen die bij ongeveer 10 nm extreem smal zijn en verrassend robuust tegen externe storingen. Elektronen reizen op deze geleidende kanalen met verschillende spin in tegengestelde richtingen - vergelijkbaar met een snelweg met aparte rijstroken voor de twee richtingen. Dit effect maakt de materialen interessant voor technologische toepassingen in toekomstige elektronische componenten zoals ultrasnelle en energiezuinige computers.

"TCI's zijn relatief eenvoudig te produceren en ze verschillen al van conventionele materialen vanwege hun speciale kristallijne structuur, " Dr. Paolo Sessi legt de achtergrond uit van het onlangs gepubliceerde artikel. Sessi is een research fellow bij het Department of Experimental Physics II en de hoofdauteur van de studie. Bovendien, deze materialen danken hun bijzondere kwaliteit aan hun elektronische eigenschappen:in topologische materialen, de richting van de spin bepaalt de richting waarin de elektronen reizen. Simpel gezegd, de "spin" kan worden geïnterpreteerd als een magnetische dipool die in twee richtingen kan wijzen ("omhoog" en "omlaag"). Overeenkomstig, up-spin elektronen in TCI's bewegen in de ene en down-spin elektronen in de andere richting.

Het draait allemaal om het aantal atoomlagen

"Maar voorheen wisten wetenschappers niet hoe ze de daarvoor benodigde geleidende kanalen moesten produceren, " zegt professor Matthias Bode, Hoofd van de afdeling Experimentele Fysica II en co-auteur van de studie. Het was toeval dat de onderzoekers nu op het goede spoor zette:ze ontdekten dat zeer smalle geleidende kanalen van nature voorkomen bij het splitsen van lood-tinselenide (PbSnSe), een kristallijne isolator.

Stapranden op de oppervlakken van de fragmenten veroorzaken dit fenomeen. Ze kunnen worden afgebeeld met behulp van een hoge resolutie scanning tunneling microscopie, of meer precies, de hoogte van de overeenkomstige trederanden. "Randen die een even aantal atoomlagen overbruggen zijn totaal onopvallend. Maar als de randen een oneven aantal atoomlagen overspannen, er wordt een klein gebied van ongeveer 10 nm breed gecreëerd dat de elektronische geleidende kanaaleigenschappen heeft waarnaar we op zoek waren, ' legt Sessi uit.

Patroon breekt af aan de rand

Ondersteund door hun collega's van de afdeling Theoretische Fysica I en de Universiteit van Zürich, de experimentele natuurkundigen konden licht werpen op de oorsprong van deze nieuwe elektronische toestanden. Om het principe te begrijpen, een beetje ruimtelijk inzicht is vereist:

"De kristallijne structuur veroorzaakt een lay-out van de atomen waar de verschillende elementen elkaar afwisselen zoals de zwarte en witte vierkanten op een schaakbord, " Matthias Bode legt uit. Dit afwisselend zwart-wit patroon is van toepassing op zowel vierkanten die aangrenzend zijn als vierkanten die onder en boven elkaar liggen.

Dus als de barst van dit kristal door verschillende atoomlagen loopt, daar wordt meer dan één rand gemaakt. Van bovenaf gezien, witte vierkanten kunnen ook grenzen aan andere witte vierkanten langs deze rand en zwarte vierkanten aan andere zwarte vierkanten - of identieke atomen aan identieke atomen. Echter, dit werkt alleen als een oneven aantal atoomlagen verantwoordelijk is voor het hoogteverschil van de twee oppervlakken.

Gesteund door berekeningen

"Berekeningen tonen aan dat deze offset aan de oppervlakte eigenlijk de oorzaak is van deze nieuwe elektronische toestanden, " zegt Paolo Sessi. Verder, ze bewijzen dat het fenomeen van de spinafhankelijke geleidende kanalen, die kenmerkend is voor topologische materialen, komt hier ook voor.

Volgens de wetenschappers met name deze eigenschap maakt de ontdekking relevant voor mogelijke toepassingen, omdat dergelijke geleidende kanalen enerzijds een laag geleidingsverlies veroorzaken en anderzijds direct kunnen worden gebruikt voor het verzenden en verwerken van informatie op het gebied van spintronica.

Echter, er moeten verschillende vragen worden beantwoord en uitdagingen worden overwonnen voordat dit werkelijkheid wordt. Bijvoorbeeld, de wetenschappers weten nog niet zeker over welke afstanden de stromen in de nieuw ontdekte geleidende kanalen kunnen worden getransporteerd. Ook, om te worden geïmplementeerd in circuits, er zouden methoden moeten worden ontwikkeld waarmee stapranden van een gedefinieerde hoogte langs gespecificeerde richtingen kunnen worden gemaakt.