De zoektocht naar betere materialen voor computers en andere elektronische apparaten heeft zich gericht op een groep materialen die bekend staat als "topologische isolatoren" die de speciale eigenschap hebben om elektriciteit aan de rand van hun oppervlak te geleiden, zoals rijstroken op een snelweg. Dit kan de energie-efficiëntie verhogen en de warmteafgifte verminderen.

De eerste experimenteel aangetoonde topologische isolator in 2009 was bismut-antimoon, maar pas onlangs identificeerden onderzoekers pure bismut als een nieuw type topologische isolator. Een groep onderzoekers in Europa en de VS leverde zowel experimenteel bewijs als theoretische analyse in een 2018 Natuurfysica verslag doen van.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT samen met collega's in Boston, Singapore, en Taiwan hebben een theoretische analyse uitgevoerd om verschillende meer voorheen niet-geïdentificeerde topologische eigenschappen van bismut te onthullen. Het team werd geleid door senior auteurs MIT Associate Professor Liang Fu, MIT-professor Nuh Gedik, Northeastern University Distinguished Professor Arun Bansil, en Research Fellow Hsin Lin aan de Academica Sinica in Taiwan.

"Het is een soort verborgen topologie waar mensen niet wisten dat het zo kon zijn, ", zegt MIT-postdoc Su-Yang Xu, een co-auteur van het artikel dat onlangs is gepubliceerd in PNAS .

Topologie is een wiskundig hulpmiddel dat natuurkundigen gebruiken om elektronische eigenschappen te bestuderen door de kwantumgolffuncties van elektronen te analyseren. De "topologische" eigenschappen zorgen voor een hoge mate van stabiliteit in het materiaal en maken de elektronische structuur ervan zeer robuust tegen kleine onvolkomenheden in het kristal, zoals onzuiverheden, of kleine vervormingen van zijn vorm, zoals strekken of knijpen.

"Laten we zeggen dat ik een kristal heb met onvolkomenheden. Die onvolkomenheden, zolang ze niet zo dramatisch zijn, dan verandert mijn elektrische eigendom niet, " legt Xu uit. "Als er zo'n topologie is en als de elektronische eigenschappen uniek zijn gekoppeld aan de topologie in plaats van aan de vorm, dan zal het heel robuust zijn."

"In deze specifieke verbinding, tenzij je op de een of andere manier druk uitoefent of iets om de kristalstructuur te vervormen, anders is deze geleiding altijd beschermd, ' zegt Xu.

Aangezien de elektronen die een bepaalde spin dragen in deze topologische materialen maar in één richting kunnen bewegen, ze kunnen niet achteruit stuiteren of zich verspreiden, dat is het gedrag waardoor elektronische apparaten op basis van silicium en koper opwarmen.

Terwijl materiaalwetenschappers materialen zoeken met snelle elektrische geleiding en lage warmteafgifte voor geavanceerde computers, natuurkundigen willen de soorten topologische en andere eigenschappen classificeren die ten grondslag liggen aan deze beter presterende materialen.

In de nieuwe krant "Topologie op een nieuw facet van bismut, " berekenden de auteurs dat bismut een toestand zou moeten vertonen die bekend staat als een "Dirac-oppervlaktetoestand, " wat wordt beschouwd als een kenmerk van deze topologische isolatoren. Ze ontdekten dat het kristal onveranderd is door een halve cirkelrotatie (180 graden). Dit wordt een tweevoudige rotatiesymmetrie genoemd. Een dergelijke tweevoudige rotatiesymmetrie beschermt de Dirac-oppervlaktetoestanden. Als dit tweevoudige rotatiesymmetrie van het kristal wordt verstoord, deze oppervlaktetoestanden verliezen hun topologische bescherming.

Bismut heeft ook een topologische toestand langs bepaalde randen van het kristal waar twee verticale en horizontale vlakken samenkomen, zogenaamde "scharnier" staat. Om de gewenste topologische effecten in dit materiaal volledig te realiseren, de scharniertoestand en andere oppervlaktetoestanden moeten worden gekoppeld aan een ander elektronisch fenomeen dat bekend staat als "bandinversie" waarvan de berekeningen van de theoretici aantonen dat het ook aanwezig is in bismut. Ze voorspellen dat deze topologische oppervlaktetoestanden kunnen worden bevestigd met behulp van een experimentele techniek die bekend staat als foto-emissiespectroscopie.

Als elektronen die door koper stromen zijn als een school vissen die in de zomer door een meer zwemmen, elektronen die over een topologisch oppervlak stromen, lijken meer op schaatsers die in de winter het bevroren oppervlak van het meer oversteken. voor bismut, echter, in de scharniertoestand, hun beweging zou meer lijken op schaatsen op de hoekrand van een ijsblokje.

De onderzoekers ontdekten ook dat in de scharniertoestand, terwijl de elektronen naar voren bewegen, hun momentum en een andere eigenschap, genaamd spin - wat een rotatie met de klok mee of tegen de klok in van de elektronen definieert - is 'vergrendeld'. "Hun draairichting is vergrendeld met betrekking tot hun bewegingsrichting, " legt Xu uit.

Deze aanvullende topologische toestanden kunnen helpen verklaren waarom bismut elektronen er veel verder doorheen laat reizen dan de meeste andere materialen, en waarom het elektriciteit efficiënt geleidt met veel minder elektronen dan materialen zoals koper.

"Als we deze dingen echt nuttig willen maken en de prestaties van onze transistors aanzienlijk willen verbeteren, we moeten goede topologische materialen vinden - goed in termen van dat ze gemakkelijk te maken zijn, ze zijn niet giftig, en ze zijn ook relatief overvloedig op aarde, " suggereert Xu. Bismut, dat is een element dat veilig is voor menselijke consumptie in de vorm van remedies voor de behandeling van brandend maagzuur, bijvoorbeeld, voldoet aan al deze eisen.

"Dit werk is het resultaat van anderhalf decennium vooruitgang in ons begrip van door symmetrie beschermde topologische materialen, " zegt David Hsieh, hoogleraar natuurkunde aan Caltech, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

"Ik denk dat deze theoretische resultaten robuust zijn, en het is gewoon een kwestie van ze experimenteel in beeld te brengen met behulp van technieken zoals hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie, waar professor Gedik een expert in is, ’ voegt Hsieh toe.

Professor Gregory Fiete van de Northeastern University merkt op dat "verbindingen op basis van bismut lange tijd een hoofdrol hebben gespeeld in topologische materialen, hoewel oorspronkelijk werd aangenomen dat bismut zelf topologisch triviaal was."

"Nutsvoorzieningen, dit team heeft ontdekt dat zuiver bismut meervoudig topologisch is, met een paar Dirac-kegels aan het oppervlak, ongebonden aan een bepaalde momentumwaarde, " zegt Fiete, die ook niet bij dit onderzoek betrokken was. "De mogelijkheid om de Dirac-kegels via externe parametercontrole te verplaatsen, kan de weg openen voor toepassingen die deze functie misbruiken."

Caltech's Hsieh merkt op dat de nieuwe bevindingen bijdragen aan het aantal manieren waarop topologisch beschermde metaaltoestanden in materialen kunnen worden gestabiliseerd. "Als bismut kan worden omgezet van halfmetaal in isolator, dan kan isolatie van deze oppervlaktetoestanden in elektrisch transport worden gerealiseerd, die nuttig kan zijn voor toepassingen in elektronica met laag vermogen, ' legt Hsieh uit.

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.