Topologische isolatoren zijn materialen met verbazingwekkende eigenschappen:elektrische stroom vloeit alleen langs hun oppervlakken of randen, terwijl het inwendige van het materiaal zich als een isolator gedraagt. In 2007, Professor Laurens Molenkamp aan de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Beieren, Duitsland, was de eerste die het bestaan ​​van dergelijke topologische toestanden experimenteel aantoonde. Zijn team bereikte dit baanbrekende werk met kwantumbronnen op basis van kwik en tellurium (HgTe). Vanaf dat moment, deze nieuwe materialen waren de hoop op een fundamenteel nieuwe generatie componenten die, bijvoorbeeld, beloven innovaties voor informatietechnologie.

Natuurkundigen van JMU zijn er nu voor het eerst in geslaagd een essentieel element voor dergelijke componenten te construeren:een Quantum Point Contact (QPC). Ze presenteren deze prestatie in een recente publicatie in het tijdschrift Natuurfysica .

Opsluiting voor topologische toestanden

Kwantumpuntcontacten zijn quasi eendimensionale vernauwingen in anders tweedimensionale structuren die slechts enkele atomaire lagen dun zijn. In topologische HgTe-kwantumbronnen, waarbij de geleidende toestanden zich uitsluitend aan de randen bevinden, deze randtoestanden worden ruimtelijk samengevoegd op de QPC. Deze nabijheid maakt het mogelijk om mogelijke interacties tussen de randtoestanden te onderzoeken.

"Dit experiment kon alleen werken dankzij een doorbraak in onze lithografische methoden. Het heeft ons in staat gesteld om ongelooflijk kleine structuren te creëren zonder het topologische materiaal te beschadigen. Ik ben ervan overtuigd dat deze technologie ons in staat zal stellen om indrukwekkende, nieuwe effecten in topologische nanostructuren in de nabije toekomst, zei Molenkamp.

Afwijkend geleidingsgedrag door interactie

Met behulp van een geavanceerd productieproces, de JMU-fysici zijn erin geslaagd het knelpunt nauwkeurig en voorzichtig te structureren. Deze technologische vooruitgang stelde hen in staat om de topologische eigenschappen van het systeem te functionaliseren.

In deze context, het team onder leiding van professoren Laurens Molenkamp en Björn Trauzettel was in staat om voor het eerst interactie-effecten tussen de verschillende topologische toestanden van een systeem aan te tonen met behulp van afwijkende conductantiesignaturen. De Würzburg-onderzoekers schrijven dit specifieke gedrag van de geanalyseerde topologische QPC's toe aan de fysica van eendimensionale elektronische systemen.

Interagerende elektronen in één dimensie

Als elektronische correlaties in één ruimtelijke dimensie worden geanalyseerd, elektronen bewegen - in tegenstelling tot twee of drie ruimtelijke dimensies - op een goed geordende manier omdat er geen mogelijkheid is om het leidende elektron "in te halen". picturaal gesproken, de elektronen gedragen zich in dit geval als parels aan een ketting.

Deze bijzondere eigenschap van eendimensionale systemen leidt tot interessante natuurkundige verschijnselen. Trauzettel zegt:"Het samenspel van sterke Coulomb-interactie en spin-baankoppeling is zeldzaam van aard. Ik verwacht daarom dat dit systeem de komende jaren fundamentele ontdekkingen zal opleveren."

Vooruitzichten voor toekomstig onderzoek

Topologische QPC's zijn een elementair onderdeel voor veel toepassingen die de afgelopen jaren in theorie zijn voorspeld.

Een bijzonder prominent voorbeeld van dit soort is de mogelijke realisatie van Majorana-fermionen, die de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana al in 1937 voorspelde. Aan deze excitaties wordt een veelbelovend toepassingspotentieel in verband met topologische kwantumcomputers toegeschreven.

Voor dit doeleinde, het is niet alleen van groot belang om Majorana-fermionen op te sporen, maar ook om ze naar believen te kunnen controleren en manipuleren. De topologische QPC, voor het eerst geïmplementeerd bij JMU Würzburg, biedt in dit opzicht een boeiend perspectief.