Een transistor op basis van het 2-D materiaal wolfraam ditelluride (WTe ₂ ) ingeklemd tussen boornitride kan schakelen tussen twee verschillende elektronische toestanden - een die stroom alleen langs de randen geleidt, waardoor het een topologische isolator wordt, en een die stroom geleidt zonder weerstand, waardoor het een supergeleider is - hebben onderzoekers van het MIT en collega's van vier andere instellingen aangetoond.

Met behulp van vier-sonde metingen, een gemeenschappelijke kwantumelektronische transporttechniek om het elektronische gedrag van materialen te meten, de onderzoekers hebben de stroomcapaciteit en weerstandskarakteristieken van de tweedimensionale wolfraamditelluride-transistor in kaart gebracht en hun bevindingen bevestigd over een reeks aangelegde spanningen en externe magnetische velden bij extreem lage temperaturen.

"Dit is de eerste keer dat exact hetzelfde materiaal kan worden afgestemd op een topologische isolator of op een supergeleider, " zegt Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "We kunnen dit doen door een regelmatig elektrisch veldeffect met behulp van regelmatige, standaard diëlektrica, dus eigenlijk hetzelfde type technologie dat je gebruikt in standaard halfgeleiderelektronica."

Nieuwe klasse materialen

"Dit is de eerste van een nieuwe klasse materialen - topologische isolatoren die elektrisch kunnen worden afgestemd op supergeleiders - die veel mogelijkheden opent die voorheen belangrijke obstakels waren om te realiseren, "Zegt Jarillo-Herrero. "Het hebben van één materiaal waarin je dit naadloos kunt doen binnen hetzelfde materiaal om de overgang te maken tussen deze topologische isolator en supergeleider is potentieel zeer aantrekkelijk."

wolfraam ditelluride, wat een van de overgangsmetaal dichalcogenide materialen is, is geclassificeerd als een halfmetaal en geleidt elektriciteit zoals metalen in bulkvorm. De nieuwe bevindingen geven aan dat in een enkellaagse kristalvorm, bij temperaturen van minder dan 1 kelvin tot het bereik van vloeibare stikstof (-320,4 graden Fahrenheit), wolfraam ditelluride kent drie verschillende fasen:topologisch isolerend, supergeleidend, en metaal. Een aangelegde spanning drijft de overgang tussen deze fasen, die variëren met temperatuur en elektronenconcentratie. Bij supergeleidende materialen elektronen stromen zonder weerstand en genereren geen warmte.

De nieuwe bevindingen zijn online gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap . Valla Fatemi Ph.D. '18, die nu een postdoc aan Yale is, en postdoc Sanfeng Wu, die een Pappalardo Fellow is aan het MIT, zijn co-eerste auteurs van het papier met senior auteur Jarillo-Herrero. De co-auteurs zijn MIT-afgestudeerde student Yuan Cao; Landry Bretheau Ph.D. '18 van de École Polytechnique in Frankrijk; Quinn D. Gibson van de Universiteit van Liverpool in het VK; Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan; en Robert J. Cava, een professor in de chemie aan de Princeton University.

Als een kwantumdraad

Het nieuwe werk bouwt voort op een rapport eerder dit jaar van de onderzoekers die het quantum spin Hall-effect (QSH) aantonen, wat het kenmerkende natuurkundige fenomeen is dat ten grondslag ligt aan tweedimensionale topologische isolatoren, in hetzelfde enkellaags wolfraam ditelluride materiaal. Deze randstroom wordt bepaald door de spin van de elektronen in plaats van door hun lading, en elektronen met tegengestelde spin bewegen in tegengestelde richtingen. Deze topologische eigenschap is bij koude temperaturen altijd in het materiaal aanwezig.

Dit kwantumspin Hall-effect hield aan tot een temperatuur van ongeveer 100 kelvin (-279,67 graden F). "Dus het is de hoogste temperatuur 2D topologische isolator tot nu toe, " zegt postdoc Sanfeng Wu, die ook een eerste auteur was van het eerdere artikel. "Het is erg belangrijk voor een interessante kwantumtoestand als deze om te overleven bij hoge temperaturen voor gebruik voor toepassingen."

Dit gedrag, waarin de randen van wolfraam ditelluride materiaal werken als een kwantumdraad, werd in 2014 voorspeld in een theoretische paper door universitair hoofddocent natuurkunde Liang Fu en Ju Li, een professor in nucleaire wetenschappen en techniek en materiaalwetenschap en techniek. Materialen met deze eigenschappen worden gezocht voor spintronische en kwantumcomputers.

Hoewel het topologische isolatieverschijnsel werd waargenomen bij maximaal 100 kelvin, het supergeleidende gedrag in het nieuwe werk vond plaats bij een veel lagere temperatuur van ongeveer 1K.

Dit materiaal heeft het voordeel dat het de supergeleidende toestand binnengaat met een van de laagste elektronendichtheid voor elke 2D-supergeleider. "Dat betekent dat die kleine dragerdichtheid die nodig is om er een supergeleider van te maken er een is die je kunt induceren met normale diëlektrica, met gewone diëlektrica, en met behulp van een klein elektrisch veld, " legt Jarillo-Herrero uit.

Het aanpakken van de bevindingen van topologisch isolatiegedrag in 2-D wolfraamtelluride in het eerste artikel, en de bevindingen van supergeleiding in de tweede, Wu zegt, "Dit zijn tweelingpapieren, elk van hen is mooi en samen kan hun combinatie zeer krachtig zijn." Wu suggereert dat de bevindingen de weg wijzen voor onderzoek naar 2D-topologische materialen en de weg kunnen wijzen naar een nieuwe materiële basis voor topologische kwantumcomputers.

De wolfraamditelluride-kristallen werden gekweekt aan de Princeton University, terwijl de boornitridekristallen werden gekweekt bij het National Institute for Materials Science in Japan. Het MIT-team bouwde de experimentele apparaten, voerde de elektronische transportmetingen uit bij ultrakoude temperaturen, en analyseerde de gegevens bij het Instituut.

Gelijktijdige ontdekking

Jarillo-Herrero merkt op dat deze ontdekking dat monolaag wolfraam ditelluride kan worden afgestemd op een supergeleider met behulp van standaard halfgeleider nanofabricage en elektrische veldeffecttechnieken gelijktijdig werd gerealiseerd door een concurrerende groep medewerkers, waaronder professor David Cobden aan de Universiteit van Washington en universitair hoofddocent Joshua Folk aan de Universiteit van British Columbia. (Hun artikel - "Poort-geïnduceerde supergeleiding in een monolaag topologische isolator" - wordt tegelijkertijd online gepubliceerd in Wetenschap Eerste uitgave.)

"Het werd in beide groepen onafhankelijk gedaan, maar we deden allebei dezelfde ontdekking, ' zegt Jarillo-Herrero. 'Het is het beste wat er kan gebeuren dat je grote ontdekking meteen wordt gereproduceerd. Het geeft de gemeenschap extra vertrouwen dat dit iets heel echts is."

Jarillo-Herrero werd eerder dit jaar verkozen tot fellow van de American Physical Society op basis van zijn baanbrekende bijdragen aan kwantumelektronisch transport en opto-elektronica in tweedimensionale materialen en apparaten.

Stap in de richting van quantum computing

Een specifiek gebied waar deze nieuwe mogelijkheid nuttig kan zijn, is de realisatie van Majorana-modi op het grensvlak van topologisch isolerende en supergeleidende materialen. Voor het eerst voorspeld door natuurkundigen in 1937, Majorana-fermionen kunnen worden gezien als elektronen die in twee delen zijn gesplitst, die zich elk als een onafhankelijk deeltje gedragen. Deze fermionen zijn nog niet gevonden als elementaire deeltjes in de natuur, maar kunnen ontstaan ​​in bepaalde supergeleidende materialen in de buurt van het absolute nulpunt.

"Het is op zichzelf al interessant vanuit een fundamenteel natuurkundig oogpunt, en bovendien, het heeft vooruitzichten om interessant te zijn voor topologische kwantumcomputers, wat een speciaal type kwantumcomputer is, ' zegt Jarillo-Herrero.

Het unieke van Majorana-modi ligt in hun exotische gedrag wanneer men hun posities verwisselt, een operatie die natuurkundigen 'vlechten' noemen omdat de tijdsafhankelijke sporen van deze verwisselende deeltjes eruitzien als een vlecht. De vlechtbewerkingen kunnen de kwantumtoestanden van reguliere deeltjes zoals elektronen of fotonen niet veranderen, het vlechten van Majorana-deeltjes verandert hun kwantumtoestand echter volledig. Dit ongewone pand, genaamd "niet-Abelse statistieken, " is de sleutel tot het realiseren van topologische kwantumcomputers. Een magnetische opening is ook nodig om de Majorana-modus op een locatie te pinnen.

"Dit werk is heel mooi, " zegt Jason Alicea, hoogleraar theoretische natuurkunde aan Caltech, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "De basisingrediënten die nodig zijn voor het ontwerpen van Majorana-modi - supergeleiding en gapende randtoestanden door magnetisme - zijn nu afzonderlijk aangetoond in WTe2."

"Bovendien, de observatie van intrinsieke supergeleiding door gating is potentieel een grote zegen voor geavanceerde toepassingen van Majorana-modi, bijv. vlechten om niet-Abelse statistieken aan te tonen. Hiertoe, men kan zich het ontwerpen van complexe, dynamisch afstembare netwerken van supergeleidende kwantum-spin-Hall-randtoestanden met elektrostatische middelen,' zegt Alicea. 'De mogelijkheden zijn erg opwindend.'

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.