Sinds hun ontdekking in 2006, topologische isolatoren zijn algemeen besproken als een veelbelovende weg voor energiezuinige elektronica. Hun unieke randtoestanden met hoge mobiliteit hebben een vorm van "kwantumpantser" dat hen beschermt tegen elektronenverstrooiende gebeurtenissen die anders afvalwarmte zouden produceren.

Helaas, praktische toepassingen van topologische isolatoren zijn ernstig beperkt door de kleine elektronische bandgaps in de meeste bekende materialen. Dit betekent dat hoewel ze goed functioneren bij zeer lage temperaturen door zeer mobiele oppervlakte-elektronen te produceren, bij hogere temperaturen, de bulk elektronische toestanden domineren, en deze zijn niet beter dan in andere traditionele halfgeleiders.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van professor Xiaolin Wang (UOW) in samenwerking met Michael Fuhrer (Monash), hebben slimme chemie en geavanceerde elektronische metingen gecombineerd om een ​​nieuwe topologische isolator te ontwikkelen met een "brede" bandgap van meer dan 300 meV, die 12 keer groter is dan de thermische energie van een kamertemperatuursysteem.

De hoofdauteur van de studie, een Weiyao Zhao, een doctoraat student aan Wollongong legt uit, "Het bijzondere van dit materiaal is de combinatie van een brede bandgap, en het bestaan ​​van een robuuste oppervlaktetoestand."

Eerdere studies hebben gesuggereerd dat het vervangen van zwavel in een Sb ₂ Te ₃ of Bi ₂ Te ₃ topologische isolatoren zou resulteren in een grotere bandafstand. Echter, dit is in de praktijk erg moeilijk omdat de kristalstructuur instabiel wordt als gevolg van de mismatch van de atomen in grootte.

Om stabiliteit te bereiken, Zhao gebruikte een schema gebaseerd op co-substitutie van zwavel, gecompenseerd door een kleine hoeveelheid grotere vanadium- en tinionen, resulterend in het complexe materiaal Vx:Bi _1.08 -xSn _0,02 sb _0,9 Te ₂ S. Dergelijke verbindingen worden soms gekscherend aangeduid als "telefoonnummer" verbindingen door fysici en chemici vanwege hun lange chemische formules.

Deze verbinding was het hoogtepunt van twee jaar experimenteren door Zhao, die nu in het laatste jaar van zijn Ph.D. te Wollongong.

Een belangrijke bevinding was het duidelijke bewijs van een toenemende bandkloof die schaalt met het vanadiumgehalte. Samen, met behulp van een transporttechniek gebaseerd op het observeren van kwantumoscillaties voor magnetische velden onder verschillende hoeken, het team kon aantonen dat de oppervlaktetoestand actief is tot de hoge temperaturen van 50 K. Dit plaatst het materiaal op één lijn met de bekendste topologische isolatoren.

Met de grote intrinsieke band gap zijn er goede vooruitzichten voor het verder verhogen van de operationele temperaturen door het verminderen van defectconcentraties en het inzetten van nanofabricagetechnieken.

Prof. Wang zei:"We zijn in staat om de robuuste topologische 2-D oppervlaktetoestand te observeren bij temperaturen tot 50K in magnetische velden tot 14 Tesla op grote topologische isolatorkristallen. Dit is opmerkelijk, omdat grote 3D-topologische isolerende kristallen kunnen worden gebruikt als een nieuwe klasse substraat om nieuwe kwantumtoestanden zoals Majorana-fermionen en andere spinafhankelijke effecten te hosten."

Deze ontwikkeling past bij het thema 'enabling technology' binnen FLEET dat tot doel heeft materialen te ontwikkelen die bij hoge temperatuur kunnen werken om silicium in computertechnologieën te vervangen.

De krant, "Kwantumoscillaties van robuuste topologische oppervlaktetoestanden tot 50 K in dikke bulkisolerende topologische isolator, " werd gepubliceerd in npj Quantum Materialen .