Natuurkundigen van BESSY II hebben een klasse materialen onderzocht die kenmerken vertonen van topologische isolatoren. Tijdens deze onderzoeken ze ontdekten een overgang tussen twee verschillende topologische fasen, waarvan er één ferro-elektrisch is, wat betekent een fase in het materiaal die spontane elektrische polarisatie vertoont en kan worden omgekeerd door een extern elektrisch veld. Dit kan ook leiden tot nieuwe toepassingen zoals het schakelen tussen verschillende geleidbaarheden.

De HZB-onderzoekers bestudeerden kristallijne halfgeleiderfilms gemaakt van een lood, tin en seleniumlegering (PbSnSe) die werden gedoteerd met kleine hoeveelheden van het element bismut. Deze halfgeleiders behoren tot een nieuwe klasse materialen die topologische isolatoren worden genoemd. materialen die zeer goed geleiden aan hun oppervlak en zich intern als isolatoren gedragen. Doping met 1 tot 2 procent bismut stelde hen in staat een nieuwe topologische faseovergang waar te nemen. Het monster verandert in een bepaalde topologische fase die ook ferro-elektriciteit vertoont. Dit betekent dat een extern elektrisch veld het kristalrooster vervormt, terwijl omgekeerd, mechanische krachten op het rooster kunnen elektrische velden creëren.

Het effect kan worden gebruikt om nieuwe functionaliteit te ontwikkelen, wat ook interessant is voor mogelijke toepassingen. Ferro-elektrische faseovergangsmaterialen worden gebruikt in dvd's en flashgeheugen, bijvoorbeeld. Een elektrische spanning verplaatst atomen in het kristal, het transformeren van het isolatiemateriaal in een metalen.

De bismutdoping in de PbSnSe-films die bij de HZB werden onderzocht, zorgde voor een verstoring. Het aantal elektronen in bismut past niet goed in de periodieke rangschikking van atomen in het PbSnSe-kristal. "Kleine veranderingen in de atomaire structuur geven aanleiding tot fascinerende effecten in deze klasse van materialen, " zegt HZB-onderzoeker dr. Jaime Sánchez-Barriga, hoofdonderzoeker die het project coördineert.

Na gedetailleerde analyses van de metingen, de onderzoekers concludeerden dat de bismutdoping een ferro-elektrische vervorming in het rooster veroorzaakt die ook de toegestane energieniveaus van de elektronen verandert. "Dit probleem hield ons gedurende verschillende straaltijden in verwarring totdat we de wetenschappelijke resultaten reproduceerden op een geheel nieuwe reeks monsters, ", zegt Sánchez-Barriga. "Potentiële toepassingen kunnen ontstaan ​​door ferro-elektrische fasen, waaraan nog niet eerder is gedacht. Lossless geleiding van elektriciteit in topologische materialen kan naar believen worden in- en uitgeschakeld door elektrische pulsen of door mechanische belasting, " zegt prof. Oliver Rader, hoofd van de afdeling Materials for Green Spintronics bij HZB.