Voor het laatste decennium, wetenschappers hebben gezocht naar topologische isolatoren, materialen die aan de binnenkant isoleren, maar op hun oppervlak stroom geleiden. Hoewel voor het eerst voorspeld rond 2005, tot nu toe zijn er maar weinig praktijkvoorbeelden gevonden. Topologische isolatoren zullen naar verwachting brede toepassingen hebben, inclusief energiezuinige elektronica en kwantumcomputers - hun speciale eigenschappen zorgen ervoor dat de oppervlaktestroom vrij kan stromen, zelfs in aanwezigheid van defecten of storingen.

Tot nu, wetenschappers hebben gezocht naar topologische isolatoren tussen kristallen of andere materialen waarvan de atomen op een regelmatige manier zijn gerangschikt. Een nieuwe studie, echter, voorspelt dat topologische isolatoren ook te vinden zijn onder amorfe materialen, zoals sommige vormen van glas, waarin atomen willekeurig zijn gerangschikt.

De voorspelling, gebaseerd op computermodellen, opent nieuwe wegen in de zoektocht naar deze materialen. "Nu zijn er veel meer mogelijkheden om topologische isolatoren te vinden, ", zegt senior auteur Vijay Shenoy van het Indian Institute of Science (IISc). Amorfe topologische isolatoren zijn misschien ook gemakkelijker te maken dan kristallijne, die strenge controles vereisen, hij stelt voor. Shenoy en afgestudeerde student Adhip Agarwala voerden de studie uit die is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Topologische isolatoren danken hun superieure capaciteiten aan de aanwezigheid van speciale energietoestanden op hun oppervlakken. Om stroom in een materiaal te laten vloeien, elektronen moeten van de energietoestand van de valentieband naar een hogere toestand springen, de geleidingsband. Als de afstand tussen de banden erg groot is, zoals gevonden in normale isolatoren, elektronen kunnen niet springen en er loopt geen stroom. Aan de binnenkant, topologische isolatoren hebben een grote bandafstand en geleiden geen stroom. Op hun oppervlak, echter, elektronen nemen bepaalde "mid-gap"-toestanden in tussen de valentie- en geleidingsbanden, waardoor ze stroom kunnen voeren.

Toen deze materialen voor het eerst werden voorspeld, de theorie was gebaseerd op de veronderstelling dat de materiële structuur kristallijn moet zijn, zegt Shenoy. "Na wat rondneuzen, we ontdekten dat dit geen cruciale veronderstelling is. Het is voor u geen noodzakelijke voorwaarde om een ​​topologische fase te behalen, " hij zegt.

Shenoy en Agarwala gebruikten computermodellen om 2D- en 3D-structuren te 'construeren' waarin plaatsen willekeurig zijn gerangschikt en elektronen ertussen kunnen springen. Vervolgens hebben ze bepaalde parameters aangepast, zoals de afstand tussen locaties en de afstand tussen energiebanden. Onder bepaalde omstandigheden, ze ontdekten dat de materialen mid-gap toestanden op het oppervlak vertoonden en andere wiskundige handtekeningen gevonden in topologische isolatoren, ondanks hun willekeurige structuur.

"Mensen hebben alleen naar kristallijne materialen gekeken. En ze hebben geen erg goede topologische isolatoren gevonden, " zegt Agarwala. "Zelfs theoretisch, mensen kunnen nu naar veel kijken, veel stoffen, niet alleen amorfe materialen. We hebben aangetoond voor het 'worst-case scenario' waar de structuur volledig willekeurig is. We kunnen aan veel meer materialen denken tussen kristallijn en amorf, en vraag of topologische isolatoren kunnen bestaan."

Onderzoekers kunnen ook kijken naar andere manieren om topologische isolatoren te maken, suggereren de auteurs. een mogelijkheid, bijvoorbeeld, is om willekeurig atomen met geschikte energieniveaus toe te voegen aan het oppervlak van een bestaande isolator om topologische toestanden te veroorzaken.

Topologische isolatoren hebben bijzondere eigenschappen die ze aantrekkelijk maken voor elektronica. Bijvoorbeeld, de richting waarin de oppervlakte-elektronen draaien, is vergrendeld met de richting waarin ze bewegen. Deze vergrendeling voorkomt dat defecten of onzuiverheden de spin van het elektron veranderen en het daarom van zijn pad stoten, waardoor het stroomverlies wordt geminimaliseerd.

"Een van de actieve gebieden in de fysica van de gecondenseerde materie en de materiaalwetenschap is het vinden van dergelijke materialen, " zegt Shenoy. "Indien gevonden, het zal een belangrijke ontdekking zijn en zou de volgende ronde van elektronica kunnen zijn."