Een nieuwe methode die nauwkeurig het mysterieuze gedrag en de magnetische eigenschappen meet van elektronen die over het oppervlak van kwantummaterialen stromen, zou de weg kunnen openen naar elektronica van de volgende generatie.

Gevonden in het hart van elektronische apparaten, op silicium gebaseerde halfgeleiders vertrouwen op de gecontroleerde elektrische stroom die verantwoordelijk is voor het aandrijven van elektronica. Deze halfgeleiders hebben alleen toegang tot de lading van de elektronen voor energie, maar elektronen doen meer dan alleen een lading dragen. Ze hebben ook een intrinsiek impulsmoment dat bekend staat als spin, wat een kenmerk is van kwantummaterialen die, terwijl ongrijpbaar, kan worden gemanipuleerd om elektronische apparaten te verbeteren.

Een team van wetenschappers, geleid door An-Ping Li van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, heeft een innovatieve microscopietechniek ontwikkeld om de spin van elektronen in topologische isolatoren te detecteren, een nieuw soort kwantummateriaal dat kan worden gebruikt in toepassingen zoals spintronica en kwantumcomputing.

"De spinstroom, namelijk het totale impulsmoment van bewegende elektronen, is een gedrag in topologische isolatoren dat niet kon worden verklaard totdat een spingevoelige methode was ontwikkeld, ' zei Li.

Elektronische apparaten blijven snel evolueren en vereisen meer vermogen verpakt in kleinere componenten. Hierdoor is er behoefte aan minder dure, energiezuinige alternatieven voor op lading gebaseerde elektronica. Een topologische isolator voert elektrische stroom langs het oppervlak, terwijl dieper in het bulkmateriaal, het werkt als een isolator. Elektronen die over het oppervlak van het materiaal stromen, vertonen uniforme spinrichtingen, in tegenstelling tot een halfgeleider waar elektronen in verschillende richtingen draaien.

"Opladen gebaseerde apparaten zijn minder energiezuinig dan op spin gebaseerde apparaten, " zei Li. "Om spins nuttig te maken, we moeten zowel hun stroom als oriëntatie beheersen."

Om dit eigenaardige deeltjesgedrag te detecteren en beter te begrijpen, het team had een methode nodig die gevoelig is voor de spin van bewegende elektronen. Hun nieuwe microscopie-aanpak werd getest op een eenkristal van Bi ₂ Te ₂ Zie, een materiaal dat bismut bevat, telluur en selenium. Er werd gemeten hoeveel spanning er langs het oppervlak van het materiaal werd geproduceerd terwijl de elektronenstroom tussen specifieke punten bewoog, terwijl de spanning voor de spin van elk elektron werd gemeten.

De nieuwe methode bouwt voort op een scanning tunneling microscoop met vier sondes - een instrument dat de atomaire activiteit van een materiaal kan lokaliseren met vier beweegbare sondeerpunten - door een component toe te voegen om het spingedrag van elektronen op het oppervlak van het materiaal te observeren. Deze benadering omvat niet alleen spingevoeligheidsmetingen. Het beperkt ook de stroom tot een klein gebied op het oppervlak, die helpt voorkomen dat elektronen onder het oppervlak ontsnappen, het leveren van resultaten met hoge resolutie.

"We hebben met succes een spanning gedetecteerd die wordt gegenereerd door de spinstroom van het elektron, " zei Li, die co-auteur was van een paper gepubliceerd door Fysieke beoordelingsbrieven dat verklaart de methode. "Dit werk levert duidelijk bewijs van de spinstroom in topologische isolatoren en opent een nieuwe weg om andere kwantummaterialen te bestuderen die uiteindelijk kunnen worden toegepast in elektronische apparaten van de volgende generatie."