Een internationaal team van onderzoekers, werkzaam bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab) en UC Berkeley, heeft een atomair dun materiaal gefabriceerd en de exotische en duurzame eigenschappen ervan gemeten, waardoor het een veelbelovende kandidaat is voor een ontluikende tak van elektronica die bekend staat als 'spintronica'.

Het materiaal - bekend als 1T'-WTe2 - overbrugt twee bloeiende onderzoeksgebieden:dat van zogenaamde 2D-materialen, waaronder monolaagmaterialen zoals grafeen die zich op andere manieren gedragen dan hun dikkere vormen; en topologische materialen, waarin elektronen op voorspelbare manieren kunnen rondvliegen met vrijwel geen weerstand en ongeacht defecten die hun beweging normaal zouden belemmeren.

Aan de randen van dit materiaal, de spin van elektronen - een deeltjeseigenschap die een beetje functioneert als een kompasnaald die naar het noorden of het zuiden wijst - en hun momentum zijn nauw verbonden en voorspelbaar.

Dit laatste experimentele bewijs zou het gebruik van het materiaal als proefpersoon voor toepassingen van de volgende generatie kunnen verhogen. zoals een nieuw soort elektronische apparaten die de spin-eigenschap manipuleren om gegevens efficiënter te vervoeren en op te slaan dan huidige apparaten. Deze eigenschappen zijn fundamenteel voor spintronica.

Het materiaal wordt een topologische isolator genoemd omdat het binnenoppervlak geen elektriciteit geleidt, en de elektrische geleidbaarheid (de stroom van elektronen) is beperkt tot de randen.

"Dit materiaal zou zeer nuttig moeten zijn voor spintronica-onderzoeken, " zei Sung-Kwan Mo, een natuurkundige en stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) die de studie mede leidde, vandaag gepubliceerd in Natuurfysica .

"De stroom van elektronen is volledig verbonden met de richting van hun spins, en is alleen beperkt tot de randen van het materiaal, Mo zei. "De elektronen zullen in één richting reizen, en met één soort spin, wat een nuttige eigenschap is voor spintronica-apparaten." Dergelijke apparaten kunnen gegevens mogelijk vloeiender vervoeren, met minder stroomvraag en warmteontwikkeling dan typisch is voor hedendaagse elektronische apparaten.

"We zijn enthousiast over het feit dat we nog een familie van materialen hebben gevonden waar we zowel de fysica van 2D-topologische isolatoren kunnen onderzoeken als experimenten kunnen doen die tot toekomstige toepassingen kunnen leiden, " zei Zhi-Xun Shen, een professor in de fysische wetenschappen aan de Stanford University en de adviseur voor wetenschap en technologie bij het SLAC National Accelerator Laboratory, die ook mede-leider was van de onderzoeksinspanningen. "Het is bekend dat deze algemene klasse van materialen robuust is en goed standhoudt onder verschillende experimentele omstandigheden, en deze kwaliteiten moeten het veld in staat stellen zich sneller te ontwikkelen, " hij voegde toe.

Het materiaal is vervaardigd en bestudeerd aan de ALS, een röntgenonderzoeksfaciliteit die bekend staat als een synchrotron. Shujie Tang, een bezoekende postdoctoraal onderzoeker aan Berkeley Lab en Stanford University, en een co-hoofdauteur in de studie, was instrumenteel in het kweken van 3-atoom dikke kristallijne monsters van het materiaal in een sterk gezuiverde, vacuüm afgesloten compartiment bij de ALS, met behulp van een proces dat bekend staat als moleculaire bundelepitaxie.

De monsters met een hoge zuiverheid werden vervolgens bestudeerd aan de ALS met behulp van een techniek die bekend staat als ARPES (of hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie), die een krachtige sonde biedt van de elektroneneigenschappen van materialen.

"Nadat we het groeirecept verfijnd hadden, we hebben het gemeten met ARPES. We herkenden onmiddellijk de karakteristieke elektronische structuur van een 2D-topologische isolator, "Tang zei, gebaseerd op theorie en voorspellingen. "Wij waren de eersten die dit soort metingen op dit materiaal uitvoerden."

Maar omdat het geleidende deel van dit materiaal, aan de buitenste rand, slechts enkele nanometers dun gemeten - duizenden keren dunner dan de focus van de röntgenstraal - was het moeilijk om alle elektronische eigenschappen van het materiaal positief te identificeren.

Dus medewerkers van UC Berkeley voerden aanvullende metingen uit op atomaire schaal met behulp van een techniek die bekend staat als STM, of scanning tunneling microscopie. "STM heeft zijn randtoestand direct gemeten, dus dat was echt een belangrijke bijdrage, ' zei Tang.

De onderzoeksinspanning, die begon in 2015, meer dan twee dozijn onderzoekers in verschillende disciplines betrokken. Het onderzoeksteam profiteerde ook van computerwerk bij Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

Tweedimensionale materialen hebben unieke elektronische eigenschappen die als essentieel worden beschouwd om ze aan te passen voor spintronica-toepassingen, en er is een zeer actieve wereldwijde R&D-inspanning gericht op het afstemmen van deze materialen voor specifieke toepassingen door verschillende soorten selectief te stapelen.

"Onderzoekers proberen ze op elkaar te klemmen om het materiaal naar wens aan te passen - zoals legoblokken, Mo zei. "Nu we experimenteel bewijs hebben van de eigenschappen van dit materiaal, we willen het opstapelen met andere materialen om te zien hoe deze eigenschappen veranderen."

Een typisch probleem bij het maken van dergelijke designermaterialen uit atomair dunne lagen is dat materialen typisch defecten op nanoschaal hebben die moeilijk te elimineren zijn en die hun prestaties kunnen beïnvloeden. Maar omdat 1T'-WTe2 een topologische isolator is, zijn elektronische eigenschappen zijn van nature veerkrachtig.

"Op nanoschaal is het misschien geen perfect kristal, "Mo zei, "maar het mooie van topologische materialen is dat zelfs als je minder dan perfecte kristallen hebt, de randstaten overleven. De onvolkomenheden breken de belangrijkste eigenschappen niet af."

Vooruit gaan, onderzoekers willen grotere monsters van het materiaal ontwikkelen en ontdekken hoe specifieke eigenschappen selectief kunnen worden afgesteld en geaccentueerd. Naast de topologische eigenschappen, zijn "zustermaterialen, " die vergelijkbare eigenschappen hebben en ook zijn bestudeerd door het onderzoeksteam, waarvan bekend is dat ze lichtgevoelig zijn en nuttige eigenschappen hebben voor zonnecellen en voor opto-elektronica, die het licht regelen voor gebruik in elektronische apparaten.