In de wereld van de elektronica, waar de zoektocht altijd is naar kleinere en snellere eenheden met een oneindige batterijduur, topologische isolatoren (TI) hebben een prikkelend potentieel.

In een paper dat wordt gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang in juni, Jing Shi, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Californië, rivieroever, en collega's van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en de Arizona State University melden dat ze een TI-film hebben gemaakt van slechts 25 atomen dik die hecht aan een isolerende magnetische film, het creëren van een "heterostructuur". Deze heterostructuur maakt TI-oppervlakken magnetisch bij kamertemperatuur en hoger, tot boven 400 Kelvin of meer dan 720 graden Fahrenheit.

De oppervlakken van TI zijn slechts enkele atomen dik en hebben weinig stroom nodig om elektriciteit te geleiden. Als TI-oppervlakken magnetisch worden gemaakt, stroom vloeit alleen langs de randen van de apparaten, nog minder energie nodig. Dankzij dit zogenaamde kwantum afwijkende Hall-effect, of QAHE, een TI-apparaat kan klein zijn en de batterijen gaan lang mee, zei Shi.

Ingenieurs houden van QAHE omdat het apparaten erg robuust maakt, dat is, stevig genoeg om op te staan ​​tegen gebreken of fouten, zodat een defecte toepassing, bijvoorbeeld, crasht niet een heel besturingssysteem.

Topologische isolatoren zijn op dit moment de enige materialen die de felbegeerde QAHE kunnen bereiken, maar pas nadat ze gemagnetiseerd zijn, en daarin ligt het probleem:TI-oppervlakken zijn van nature niet magnetisch.

Wetenschappers hebben magnetisme in TI kunnen bereiken door doping, d.w.z. het introduceren van magnetische onzuiverheden in het materiaal, waardoor het ook minder stabiel was, zei Shi. Door de doping konden TI-oppervlakken QAHE demonstreren, maar alleen bij extreem lage temperaturen - een paar honderdsten van een graad in Kelvin boven het absolute nulpunt, of ongeveer 459 graden onder nul Fahrenheit - niet bepaald bevorderlijk voor algemeen populair gebruik.

Veel wetenschappers gaven de doping de schuld van het feit dat QAHE alleen bij zeer lage temperaturen plaatsvindt, Shi zei, wat ertoe leidde dat onderzoekers op zoek gingen naar een andere techniek om TI-oppervlakken magnetisch te maken.

Betreed het SHINES-lab van UCR (spins en warmte in elektronische systemen op nanoschaal), een door het Department of Energy gefinancierd onderzoekscentrum op het gebied van energie bij UCR dat Shi leidt en zich richt op het ontwikkelen van films, composieten en andere manieren om energie efficiënter uit nano te halen of te gebruiken (denk heel klein, zoals in moleculaire of atomaire) technologie.

anno 2015, Shi's lab creëerde eerst heterostructuren van magnetische films en grafeenmaterialen van één atoom dik met behulp van een techniek die lasermoleculaire bundelepitaxie wordt genoemd. Dezelfde atomair vlakke magnetische isolatorfilms zijn van cruciaal belang voor zowel grafeen als topologische isolatoren.

"De materialen moeten in nauw contact staan ​​​​voor TI om magnetisme te verwerven, " zei Shi. "Als het oppervlak ruw is, er zal geen goed contact zijn. We zijn goed in het atomair vlak maken van deze magnetische film, dus er steken geen extra atomen uit."

Het laboratorium van UCR stuurde het materiaal vervolgens naar zijn medewerkers aan het MIT, die moleculaire bundelepitaxie gebruikte om 25 atomaire TI-lagen op de magnetische platen te bouwen, het creëren van de heterostructuren, die vervolgens werden teruggestuurd naar UCR voor fabricage en metingen van het apparaat.

Er is meer onderzoek nodig om ervoor te zorgen dat TI het kwantum afwijkende Hall-effect (QAHE) bij hoge temperaturen laat zien, en vervolgens de materialen beschikbaar stellen voor miniaturisatie in de elektronica, Shi zei, maar de SHINES-labbevinding laat zien dat door de heterostructurenbenadering te volgen, TI-oppervlakken kunnen bij normale temperaturen magnetisch en robuust worden gemaakt.

kleiner maken, snellere apparaten werken op hetzelfde of een hoger niveau van efficiëntie als hun grotere, langzamere voorgangers "gaat niet vanzelf, "Zei Shi. "Ingenieurs werken hard om alle apparaten op dezelfde manier te laten werken en er is veel engineering voor nodig om daar te komen."