Een onderzoeksteam bestaande uit wetenschappers van de Universiteit van Californië, rivieroever, en de Universiteit van Washington heeft voor het eerst rechtstreeks "randgeleiding" in monolaag wolfraam ditelluride in beeld gebracht, of WTe ₂ , een nieuw ontdekte 2D-topologische isolator en kwantummateriaal.

Het onderzoek maakt het mogelijk om deze edge-geleidingsfunctie te benutten om energiezuinigere elektronische apparaten te bouwen.

In een typische dirigent, overal stroomt elektrische stroom. isolatoren, anderzijds, geleiden niet gemakkelijk elektriciteit. In topologische isolatoren, een speciaal soort materiaal, het interieur werkt als een isolator, maar de grenzen van dergelijke materialen zijn gegarandeerd geleidend vanwege de topologische eigenschap, wat resulteert in een functie die "topologische randgeleiding" wordt genoemd.

Topologie is de wiskundige studie van de eigenschappen van een geometrische figuur of vaste stof die onveranderd blijft door uitrekken of buigen. Het toepassen van dit concept op elektronische materialen leidt tot ontdekkingen van vele interessante fenomenen, inclusief topologische randgeleiding. Werken als snelwegen voor elektronen, kanalen van topologische randgeleiding zorgen ervoor dat elektronen met weinig weerstand kunnen reizen. Verder, omdat randkanalen potentieel erg smal kunnen zijn, elektronische apparaten kunnen verder worden geminiaturiseerd.

Studieresultaten verschijnen vandaag in wetenschappelijke vooruitgang .

"Van verschillende materialen is aangetoond dat ze 3D-topologische isolatoren zijn, " zei Yongtao Cui, een assistent-professor natuurkunde en sterrenkunde aan de UCR, die het onderzoek leidde. "Maar 2D-topologische isolatoren zijn zeldzaam. Verschillende recente experimenten hebben aangetoond dat monolaag WTe ₂ is de eerste atomair dunne 2D topologische isolator."

Cui legde uit dat voor een 3D-topologische isolator, geleiding verschijnt aan de oppervlakken; voor een 2D plaatachtig materiaal, dergelijke geleidende kenmerken bevinden zich eenvoudig aan de randen van het vel.

Cui's lab gebruikte een nieuwe experimentele techniek genaamd Microwave Impedance Microscopy, of MIM, om de geleiding direct af te beelden aan de randen van monolaag WTe ₂ .

"Onze resultaten bevestigen ondubbelzinnig de randgeleiding in dit veelbelovende materiaal, ' zei Cui.

Hoewel WTe ₂ al tientallen jaren bekend, interesse in dit materiaal kreeg pas de laatste jaren een boost vanwege de exotische fysieke en elektronische eigenschappen die zijn ontdekt met behulp van topologische fysica. WTe ₂ lagen worden op elkaar gestapeld via van der Waals-interacties en kunnen gemakkelijk worden geëxfolieerd tot dunne, 2-D, grafeen-achtige platen.

"Naast geleiding aan de randen in monolaag WTe ₂ , we ontdekten ook dat de geleidende kanalen zich kunnen uitstrekken tot aan de binnenkant van het materiaal, door onvolkomenheden, zoals scheuren, " zei Cui. "Onze waarnemingen wijzen op nieuwe manieren om dergelijke geleidingskanalen via mechanische of chemische middelen te controleren en te ontwerpen."

Cui's medewerkers aan de Universiteit van Washington hebben de monolaag WTe . voorbereid ₂ monsters. Bij UCR, zijn lab voerde de MIM-meting uit, waarbij een elektrisch microgolfsignaal naar een scherpe metalen punt werd gestuurd, en positionering van de punt nabij het oppervlak van monolaag WTe ₂ . Door het door het monster teruggekaatste microgolfsignaal op te lossen, de onderzoekers konden bepalen of het monstergebied direct onder de punt geleidend was of niet.

"We hebben de tip over het hele monster gescand en direct de lokale geleidbaarheid in kaart gebracht, " zei Cui. "We hebben alle metingen uitgevoerd bij cryogene temperaturen, nodig voor monolaag WTe ₂ om de topologische eigenschap te vertonen. De topologische eigenschappen van monolaag WTe ₂ kan mogelijk dienen als een platform om essentiële bewerkingen in kwantumcomputing te realiseren."

Cui's lab onderzoekt al nieuwe manieren om de edge conduction-kanalen en topologische fysica in monolaag WTe te manipuleren ₂ .

"We onderzoeken of het stapelen van monolaag WTe ₂ met andere 2D-materialen kan de topologische eigenschap veranderen, " zei hij. "We gebruiken ook mechanische en chemische methoden om netwerken van geleidingskanalen te creëren. De MIM-techniek die we hebben gebruikt, biedt een krachtig middel om de geleidingskanalen in topologische materialen zoals monolaag WTe . te karakteriseren ₂ ."