Natuurkundigen van de Universiteit van Zürich doen onderzoek naar een nieuwe klasse materialen:topologische isolatoren van hogere orde. De randen van deze kristallijne vaste stoffen geleiden elektrische stroom zonder dissipatie, terwijl de rest van het kristal isolerend blijft. Dit kan handig zijn voor toepassingen in de halfgeleidertechnologie en voor het bouwen van kwantumcomputers.

Topologie onderzoekt de eigenschappen van objecten en vaste stoffen die beschermd zijn tegen verstoringen en vervormingen. Tot nu toe bekende materialen zijn onder meer topologische isolatoren, dat zijn kristallen die aan de binnenkant isoleren maar elektrische stroom geleiden op hun oppervlak. De geleidende oppervlakken zijn topologisch beschermd, wat betekent dat ze niet gemakkelijk in een isolerende staat kunnen worden gebracht.

Theoretische natuurkundigen van de Universiteit van Zürich hebben nu een nieuwe klasse van topologische isolatoren voorspeld met geleidende eigenschappen aan de randen van kristallen in plaats van aan het oppervlak. Het onderzoeksteam, bestaande uit wetenschappers van UZH, Princeton Universiteit, het Donostia International Physics Center en het Max Planck Institute of Microstructure Physics in Halle, noemde de nieuwe materiaalklasse "topologische isolatoren van hogere orde". De buitengewone robuustheid van de geleidende randen maakt ze bijzonder interessant:de stroom van topologische elektronen kan niet worden gestopt door wanorde of onzuiverheden. Als een onvolmaaktheid de stroom in de weg staat, het stroomt gewoon rond de onzuiverheid.

In aanvulling, de kristalranden hoeven niet speciaal voorbereid te zijn om elektrische stroom te geleiden. Als het kristal breekt, de nieuwe randen geleiden automatisch ook stroom. "Het meest opwindende aspect is dat elektriciteit tenminste in theorie kan worden geleid zonder enige dissipatie, " zegt Titus Neupert, hoogleraar aan de afdeling Natuurkunde van de UZH. "Je zou de kristalranden kunnen zien als een soort snelweg voor elektronen. Ze kunnen niet zomaar een U-bocht maken." Deze eigenschap van dissipatieloze geleiding, anders bekend van supergeleiders bij lage temperaturen, wordt niet gedeeld met de eerder bekende topologische isolatorkristallen die geleidende oppervlakken hebben, maar is specifiek voor de hogere-orde topologische kristallen.

Het onderzoek van de fysici steunt nog steeds vooral op theoretische aspecten. Ze hebben tintelluride voorgesteld als de eerste verbinding die deze nieuwe eigenschappen vertoont. "Er moeten meer materiële kandidaten worden geïdentificeerd en onderzocht in experimenten, ", zegt Neupert. De onderzoekers hopen dat in de toekomst nanodraden gemaakt van topologische isolatoren van hogere orde kunnen worden gebruikt als geleidende paden in elektrische circuits. Ze kunnen worden gecombineerd met magnetische en supergeleidende materialen en worden gebruikt voor het bouwen van kwantumcomputers.