Topologische isolatoren zijn innovatieve materialen die elektriciteit geleiden op het oppervlak, maar fungeren als isolatoren aan de binnenkant. Natuurkundigen van de Universiteit van Basel en de Technische Universiteit van Istanbul zijn begonnen te onderzoeken hoe ze reageren op wrijving. Hun experiment toont aan dat de warmte die wordt gegenereerd door wrijving aanzienlijk lager is dan in conventionele materialen. Dit komt door een nieuw kwantummechanisme, rapporteren de onderzoekers in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurmaterialen .

Dankzij hun unieke elektrische eigenschappen, topologische isolatoren beloven veel innovaties in de elektronica- en computerindustrie, evenals bij de ontwikkeling van kwantumcomputers. De dunne oppervlaktelaag kan elektriciteit bijna zonder weerstand geleiden, wat resulteert in minder warmte dan traditionele materialen. Dit maakt ze bijzonder interessant voor elektronische componenten.

Verder, in topologische isolatoren, de elektronische wrijving, d.w.z. de door elektronen gemedieerde omzetting van elektrische energie in warmte kan worden verminderd en gecontroleerd. Onderzoekers van de Universiteit van Basel, het Zwitserse Nanoscience Institute (SNI) en de Technische Universiteit van Istanbul hebben nu experimenteel kunnen verifiëren en demonstreren hoe de overgang van energie naar warmte door wrijving zich precies gedraagt ​​- een proces dat bekend staat als dissipatie.

Wrijving meten met een slinger

Het team onder leiding van professor Ernst Meyer van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel onderzocht de effecten van wrijving op het oppervlak van een topologische isolator van bismuttelluride. De wetenschappers gebruikten een atoomkrachtmicroscoop in slingermodus. Hier, de geleidende microscooppunt van goud oscilleert heen en weer net boven het tweedimensionale oppervlak van de topologische isolator. Wanneer er een spanning op de punt van de microscoop wordt gezet, de beweging van de slinger veroorzaakt een kleine elektrische stroom op het oppervlak.

Bij conventionele materialen, een deel van deze elektrische energie wordt door wrijving omgezet in warmte. Het resultaat op het geleidende oppervlak van de topologische isolator ziet er heel anders uit:het energieverlies door de omzetting in warmte wordt aanzienlijk verminderd.

"Onze metingen laten duidelijk zien dat er bij bepaalde spanningen vrijwel geen warmteontwikkeling is die wordt veroorzaakt door elektronische wrijving, " legt Dr. Dilek Yildiz uit, die dit werk uitvoerde binnen de SNI Ph.D. School.

Een nieuw mechanisme

De onderzoekers konden ook voor het eerst een nieuw kwantummechanisch dissipatiemechanisme waarnemen dat alleen bij bepaalde spanningen optreedt. Onder deze voorwaarden, de elektronen migreren van de punt door een tussentoestand in het materiaal - vergelijkbaar met het tunneleffect in scanning tunneling microscopen. Door de spanning te regelen, de wetenschappers waren in staat om de dissipatie te beïnvloeden. "Deze metingen bevestigen het grote potentieel van topologische isolatoren, omdat elektronische wrijving gericht kan worden gecontroleerd, ", voegt Meijer eraan toe.