Onderzoekers in China en aan UC Davis hebben hoge geleidbaarheid gemeten in zeer dunne lagen niobiumarsenide, een soort materiaal dat een Weyl-halfmetaal wordt genoemd. Het materiaal heeft ongeveer drie keer de geleidbaarheid van koper bij kamertemperatuur, zei Sergej Savrasov, hoogleraar natuurkunde aan UC Davis. Savrasov is een co-auteur van het artikel dat op 18 maart is gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Nieuwe materialen die elektriciteit geleiden zijn van groot belang voor natuurkundigen en materiaalwetenschappers, zowel voor fundamenteel onderzoek als omdat ze zouden kunnen leiden tot nieuwe soorten elektronische apparaten.

Savrasov werkt aan theoretische fysica van de gecondenseerde materie. Met anderen, hij stelde in 2011 het bestaan ​​van Weyl-halfmetalen voor. Het Chinese team was in staat om kleine stukjes te fabriceren en te testen, nanobelt genoemd, van niobiumarsenide, bevestiging van de voorspellingen van de theorie. De nanobelts zijn zo dun dat ze in wezen tweedimensionaal zijn.

"Een Weyl-halfmetaal is geen geleider of isolator, maar iets er tussenin " zei Savrasov. Niobiumarsenide, bijvoorbeeld, is een slechte geleider in bulk, maar heeft een metalen oppervlak dat elektriciteit geleidt. Het oppervlak is topologisch beschermd, wat betekent dat het niet kan worden gewijzigd zonder het bulkmateriaal te vernietigen.

Met de meeste materialen, oppervlakken kunnen chemisch worden gewijzigd omdat ze onzuiverheden uit de omgeving opnemen. Deze onzuiverheden kunnen de geleidbaarheid verstoren. Maar topologisch beschermde oppervlakken verwerpen deze onzuiverheden.

"In theorie verwachten we dat Weyl-oppervlakken goede geleiders zijn, omdat ze geen onzuiverheden tolereren, ' zei Savrasov.

Als je denkt aan elektronen die door materiaal stromen, stel je voor dat ze weerkaatsen of verstrooid worden door onzuiverheden. Op kwantumniveau een geleidend materiaal heeft een Fermi-oppervlak dat alle kwantumenergietoestanden beschrijft die elektronen kunnen bezetten. Dit Fermi-oppervlak beïnvloedt de geleidbaarheid van het materiaal.

De nanobelts die in deze experimenten werden getest, hadden een beperkt Fermi-oppervlak of Fermi-boog, wat betekent dat elektronen alleen naar een beperkt aantal kwantumtoestanden konden worden verstrooid.

"De Fermi-boog beperkt de toestanden waarnaar elektronen kunnen terugkaatsen, daarom zijn ze niet verstrooid, ' zei Savrasov.

Materialen die op zeer kleine schaal zeer geleidend zijn, kunnen nuttig zijn omdat ingenieurs ernaar streven steeds kleinere circuits te bouwen. Minder elektrische weerstand betekent dat er minder warmte wordt gegenereerd als er stroom doorheen gaat.