Topologische isolatoren, een klasse van materialen die al iets meer dan tien jaar wordt onderzocht, zijn aangekondigd als een nieuw 'wondermateriaal', net als grafeen. Maar tot nu toe, topologische isolatoren hebben niet helemaal voldaan aan de verwachtingen die door theoretische studies worden aangewakkerd. Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben nu een idee waarom. Hun analyse werd op 27 juli gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling B .

Topologische isolatoren zijn materialen die in de bulk isoleren, maar lading over het oppervlak laten stromen. Deze geleidende toestanden aan het oppervlak komen voort uit ordeningspatronen in de toestanden waar elektronen zich bevinden die verschillen van gewone materialen. Deze ordening is gekoppeld aan het fysieke begrip 'topologie', analoog aan wat in de wiskunde wordt gebruikt. Deze eigenschap geeft aanleiding tot zeer robuuste toestanden met enkele bijzondere eigenschappen.

Zware atomen

Voor een, hun spin - een magnetische eigenschap van elektronen die de waarden 'omhoog' of 'omlaag' kan hebben - zit vast aan hun beweging. "Dit betekent dat elektronen die naar rechts bewegen spin-down hebben, en degenen die naar links gaan, hebben spin-up", legt eerste auteur van de studie Eric de Vries uit, Promovendus in de onderzoeksgroep 'Spintronics of Functional Materials' onder leiding van zijn promotor prof. dr. Tamalika Banerjee. Deze groep maakt deel uit van het Zernike Institute for Advanced Materials. 'Maar het betekent ook dat wanneer je elektronen met spin up injecteert in zo'n topologische isolator, ze zullen naar links reizen!" Topologische isolatoren kunnen daarom zeer nuttig zijn bij de realisatie van spintronica:elektronica gebaseerd op de gekwantiseerde spinwaarde in plaats van de lading van elektronen.

De speciale eigenschappen van topologische isolatoren worden voorspeld door de theoretische analyse van de oppervlaktestructuren van deze materialen, gemaakt van kristallen van zware atomen. Maar experimenten laten gemengde resultaten zien, die niet helemaal voldoen aan de theoretische voorspellingen. "We vroegen ons af waarom, dus bedachten we experimenten om het gedrag van de elektronen in de oppervlaktetoestand te onderzoeken. specifiek, we wilden zien of transport zich echt tot de oppervlakte beperkt, of als het ook in het grootste deel van het materiaal aanwezig is."

Verrassend

Eerdere experimenten van de groep, waarin ze ferromagneten gebruikten om de spins van elektronen te detecteren die werden gegenereerd in de topologische isolator, waren verrassend, zegt De Vries. "We hebben aangetoond dat een spanning die vermoedelijk afkomstig is van spindetectie, kan ontstaan ​​door andere factoren dan de vergrendeling van elektronenspin aan zijn beweging. Met behulp van verschillende geometrieën, we hebben aangetoond dat artefacten die verband houden met verdwaalde magnetische velden die door de ferromagneten worden gegenereerd, vergelijkbare spinspanningen kunnen nabootsen." Deze observatie kan leiden tot een herevaluatie van sommige gepubliceerde resultaten.

Deze keer, ze gebruikten een andere aanpak. "We hebben de topologische isolatoren geanalyseerd met behulp van sterke magneetvelden, waardoor elektronen in transportkanalen gaan oscilleren." De Vries ging naar het landelijke High Field Magnet Laboratory aan de Radboud Universiteit Nijmegen, waar een magneet van 33 Tesla beschikbaar is, een van de sterkere magneten ter wereld. "Anderen hebben soortgelijke tests gedaan met zwakkere magneten, maar deze zijn niet gevoelig genoeg om de extra transportkanalen te onthullen die naast de oppervlaktetoestanden bestaan." Uit de experimenten van De Vries bleek dat een aanzienlijk deel van het ladingstransport plaatsvond in de bulkfase van het materiaal, en niet alleen aan de oppervlakte.

Transportkanalen

De reden voor dit, legt De Vries uit, is de onvolmaakte kristalstructuur van de topologische isolator. “Soms ontbreken er atomen in de kristalstructuur. Hierdoor ontstaan ​​vrij bewegende elektronen. Deze gaan zich als nieuwe transportkanalen gaan geleiden, het genereren van elektrische stroom in het grootste deel van het materiaal."

Dus waarom heeft niemand dit eerder opgemerkt? De Vries benadrukt dat het interpreteren van transportmetingen op topologische isolatoren lastig kan zijn. "We hebben dit ervaren in onze eerdere experimenten. Onze boodschap is dat uiterste zorgvuldigheid geboden is bij de interpretatie van experimentele waarnemingen voor apparaten op basis van deze materialen." Ook, experimenten die tot duidelijkere conclusies kunnen leiden, vereisen zeer hoge magnetische velden in gespecialiseerde laboratoria.

Fouten

De resultaten wijzen op een manier om topologische isolatoren te verbeteren. "De sleutel is om de kristallen te laten groeien zonder ontbrekende atomen. Een andere oplossing is om de gaten te vullen, bijvoorbeeld met calciumionen die de vrije elektronen binden. Maar dat kan andere verstoringen van de mobiliteit van de elektronen veroorzaken." Tien jaar lang topologische isolatoren waren een rage. Ze werden vergeleken met het wondermateriaal grafeen. De ontdekking dat, in praktijk, topologische isolatoren hebben glitches en dienen als een realiteitscheck. De Vries:"We moeten de interactie tussen de oppervlaktetoestanden en het bulkmateriaal veel gedetailleerder bestuderen en begrijpen."