In 2005, natuurkundigen van de gecondenseerde materie Charles Kane en Eugene Mele dachten na over het lot van grafeen bij lage temperaturen. Hun werk leidde tot de ontdekking van een nieuwe staat van materie die een "topologische isolator, " die een nieuw tijdperk van materiaalwetenschap zou inluiden.

"Een topologische isolator is een materiaal dat van binnen een isolator is, maar aan het oppervlak sterk geleidend is. " zei Andrea Young, assistent-professor natuurkunde van UC Santa Barbara. In twee dimensies, een ideale topologische isolator zou "ballistische" geleiding hebben aan de randen, Jonge legde uit, wat betekent dat elektronen die door het gebied reizen, nul weerstand zouden ondervinden.

Ironisch, terwijl het werk van Kane en Mele zou leiden tot de ontdekking van topologisch isolatiegedrag in een grote verscheidenheid aan materialen, hun oorspronkelijke voorspelling - van een topologische isolator in grafeen - is niet gerealiseerd.

De kern van het probleem is spin-baankoppeling - een zwak effect waarbij de spin van het elektron interageert met zijn baanbeweging rond de kern. Van cruciaal belang voor alle topologische isolatoren, spin-baankoppeling is uitzonderlijk zwak in grafeen, zodat elk topologisch isolatiegedrag wordt overstemd door andere effecten die voortkomen uit het oppervlak waarop het grafeen wordt ondersteund.

"De zwakke spin-baankoppeling in grafeen is erg jammer, " zei postdoctoraal onderzoeker Joshua Island, omdat het in de praktijk niet zo goed uitpakte voor topologische isolatoren in twee dimensies. "De tweedimensionale topologische isolatoren die tot nu toe bekend zijn, zijn ongeordend en niet erg gemakkelijk om mee te werken, " zei Island. De geleiding aan de randen heeft de neiging snel af te nemen met de afstand die de elektronen afleggen, wat suggereert dat het verre van ballistisch is. Het realiseren van een topologische isolator in grafeen, een verder zeer perfect tweedimensionaal materiaal, zou een basis kunnen vormen voor ballistische elektrische circuits met lage dissipatie of het materiële substraat vormen voor topologisch beschermde kwantumbits.

Nutsvoorzieningen, in werk gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , Eiland, Young en hun medewerkers hebben een manier gevonden om grafeen om te zetten in een topologische isolator (TI). "Het doel van het project was om de spin-baankoppeling in grafeen te vergroten of te verbeteren, " hoofdauteur Island zei:eraan toevoegend dat er in de loop der jaren pogingen zijn ondernomen met beperkt succes. "Een manier om dit te doen, is door een materiaal met een zeer grote spin-baankoppeling dicht bij het grafeen te plaatsen. De hoop was dat door dat te doen je grafeenelektronen deze eigenschap van het onderliggende materiaal overnemen, " hij legde uit.

Het materiaal naar keuze? Na het bestuderen van verschillende mogelijkheden, de onderzoekers kozen voor een overgangsmetaal dichalcogenide (TMD), bestaande uit het overgangsmetaal wolfraam en het chalcogeen selenium. Net als bij grafeen, wolfraamdiselenide komt in tweedimensionale monolagen, samengebonden door van der Waals krachten, die relatief zwakke en afstandsafhankelijke interacties tussen atomen of moleculen zijn. In tegenstelling tot grafeen, echter, de zwaardere atomen van de TMD leiden tot sterkere spin-baankoppeling. De ballistische elektronengeleiding van het resulterende apparaat is doordrenkt met de sterke spin-baankoppeling van de nabijgelegen TMD-laag.

"We zagen een zeer duidelijke verbetering van die spin-baankoppeling, ' zei Eiland.

"Door spin-baankoppeling van precies het juiste type toe te voegen, Joshua kon ontdekken dat dit in feite leidt tot een nieuwe fase die bijna topologisch isolerend is, " zei Young. In het oorspronkelijke idee, hij legde uit, de topologische isolator bestond uit een monolaag van grafeen met een sterke spin-baankoppeling.

"We moesten een truc gebruiken die alleen beschikbaar is in meerlagen van grafeen om het juiste type spin-baankoppeling te creëren, " Young vertelde over hun experiment, die een grafeendubbellaag gebruikte. "En zo krijg je iets dat twee topologische isolatoren benadert die op elkaar zijn gestapeld." functioneel, echter, Het apparaat van Island presteert net zo goed als andere bekende 2D-topologische isolatoren - de uiterst belangrijke randtoestanden planten zich voort over ten minste enkele microns, veel langer dan in andere bekende TI-materialen.

Verder, volgens Jong, dit werk is een stap dichter bij het bouwen van een echte topologische isolator met grafeen. "Theoretisch werk heeft sindsdien aangetoond dat een drielaagse grafeen, op dezelfde manier gefabriceerd, zou leiden tot een echte topologische isolator."

Het belangrijkste is, de door Island en Young gerealiseerde apparaten kunnen eenvoudig worden afgestemd tussen een topologische isolatiefase en een reguliere isolator, die geen geleidende randtoestanden heeft.

"Je kunt deze perfecte geleiders overal naartoe leiden, " hij zei, "En dat is iets wat niemand met andere materialen heeft kunnen doen."