Het is ultradun, elektrisch geleidend aan de rand en zeer isolerend van binnen - en dat alles bij kamertemperatuur:natuurkundigen van de universiteit van Würzburg hebben een veelbelovend nieuw materiaal ontwikkeld.

De materiaalklasse van topologische isolatoren is momenteel de focus van internationaal onderzoek naar vaste stoffen. Deze materialen zijn elektrisch isolerend van binnen, omdat de elektronen sterke bindingen met de atomen behouden. Op hun oppervlak, echter, ze zijn geleidend vanwege kwantumeffecten.

Aanvullend, de spinoriëntatie van het elektron is in staat om informatie zeer efficiënt door te geven. Het is beschermd tegen verstrooiing wanneer het door deze oppervlaktekanalen beweegt. Met deze eigenschappen topologische isolatoren zouden een oude droom kunnen laten uitkomen:directe op spin gebaseerde gegevensverwerking, of zogenaamde spintronica.

Eerdere concepten werken alleen in de koelkast

Tot nu, echter, er was één groot obstakel voor het gebruik van dergelijke oppervlaktekanalen voor technische toepassingen:"Naarmate de temperatuur van een topologische isolator toeneemt, alle kwantumeffecten worden uitgewassen en met hen, de bijzondere eigenschappen van de elektrisch geleidende randen, " Dr. Jörg Schäfer legt uit; hij is een privédocent aan de leerstoel Experimentele Fysica 4 van de Universiteit van Würzburg.

Om deze reden, alle bekende topologische isolatoren moeten worden gekoeld tot zeer lage temperaturen - meestal tot min 270 graden Celsius - om de kwantumeigenschappen van de randkanalen te kunnen bestuderen. "Natuurlijk, dergelijke omstandigheden zijn niet erg praktisch voor potentiële toepassingen zoals ultrasnelle elektronica of kwantumcomputers, ' zegt de natuurkundige.

Een team van Würzburgse natuurkundigen heeft nu een geheel nieuw concept gepresenteerd om dit probleem elegant te omzeilen. De wetenschappers hebben hun resultaten gepubliceerd in het huidige nummer van Wetenschap .

Gericht materiaalontwerp

De doorbraak in Würzburg is gebaseerd op een bijzondere combinatie van materialen:een ultradunne film bestaande uit een enkele laag bismutatomen die is afgezet op een siliciumcarbidesubstraat.

Wat maakt deze combinatie zo bijzonder? "De kristallijne structuur van het siliciumcarbidesubstraat zorgt ervoor dat de bismutatomen zich rangschikken in een honingraatgeometrie bij het afzetten van de bismutfilm - zeer vergelijkbaar met de structuur van het 'wondermateriaal' grafeen, die is opgebouwd uit koolstofatomen", Professor Ralph Claessen legt uit. Door deze analogie de flinterdunne film wordt "bismutheen" genoemd.

Maar het heeft één beslissend verschil met grafeen:"Bismuteen vormt een chemische binding met het substraat, " Professor Ronny Thomale zegt. Het speelt een centrale rol in het nieuwe concept om het materiaal de gewenste elektronische eigenschappen te geven. Dit wordt benadrukt door computergebaseerde modellering:"Terwijl gewone bismut een elektrisch geleidend metaal is, de honingraatmonolaag blijft een duidelijke isolator, zelfs bij kamertemperatuur en ver daarboven, " voegt de natuurkundige toe. Om deze felbegeerde begintoestand kunstmatig te creëren, de zware bismutatomen zijn ingenieus gecombineerd met het al even isolerende siliciumcarbidesubstraat.

Electron snelweg aan de rand

Aan de rand van een stuk bismutheen komen de elektronische geleidingskanalen in het spel. Hier bevinden zich de metalen randkanalen, die zullen worden gebruikt voor de gegevensverwerking van de toekomst. Dit is niet alleen theoretisch geconcludeerd door het onderzoeksteam van Würzburg, het is ook bewezen in experimenten met microscopische technieken.

Om de randkanalen voor elektronische componenten te benutten, het is cruciaal dat er geen kortsluiting is door de binnenkant van het topologische materiaal of door de ondergrond. "Voorgaande topologische isolatoren vereisten extreme koeling om dit te verzekeren, " legt Jörg Schäfer uit. Het nieuwe bismutheenconcept maakt deze inspanning overbodig:het duidelijke isolerende gedrag van de folie en het substraat elimineert eventuele storende kortsluitingen.

De Würzburg-wetenschappers geloven dat het deze stap is om het materiaal bij kamertemperatuur te laten werken, wat de ontdekking interessant maakt voor mogelijke toepassingen onder realistische omstandigheden. "Dergelijke geleidingskanalen zijn topologisch beschermd. Dit betekent dat ze kunnen worden gebruikt om informatie vrijwel zonder verlies te verzenden, " aldus Ralph Claessen. Deze aanpak maakt datatransmissie met weinig elektronenspins denkbaar. het team van Würzburg verwacht grote vooruitgang op het gebied van efficiënte informatietechnologie.