Nieuwe experimenten met magnetisch gedoteerde topologische isolatoren bij BESSY II hebben mogelijke methoden voor signaaloverdracht zonder verlies onthuld die een verrassend zelforganisatiefenomeen met zich meebrengen. In de toekomst, het is misschien mogelijk om bij kamertemperatuur materialen te ontwikkelen met dergelijke eigenschappen die kunnen worden gebruikt als verwerkingseenheden in kwantumcomputers, bijvoorbeeld. De studie is gepubliceerd in Natuur .

Nieuwe effecten in de vastestoffysica worden vaak voor het eerst ontdekt bij temperaturen rond het absolute nulpunt (0 Kelvin of -273 °C). Nader onderzoek kan dan uitwijzen of en hoe deze verschijnselen ook bij kamertemperatuur geïnduceerd kunnen worden. Meer dan 100 jaar geleden werd voor het eerst supergeleiding waargenomen in kwik onder de 4 Kelvin. Vandaag, er zijn veel supergeleiders voor hoge temperaturen die elektrische stroom geleiden zonder weerstandsverliezen bij temperaturen tot 138 Kelvin of zelfs 200 Kelvin (het record van H2S).

Het Quantised Anomalous Hall Effect (QAHE) werd in 2013 voor het eerst waargenomen in een magnetisch gedoteerde topologische isolator van minder dan 50 millikelvin. dit effect maakt verliesloos ladingstransport mogelijk binnen dunne randkanalen van de monsters. In de tussentijd, onderzoekers hebben de maximale temperatuur waarbij het effect kan worden waargenomen verhoogd tot ongeveer 1 Kelvin.

Echter, op basis van theoretische overwegingen, de QAHE zou bij veel hogere temperaturen moeten plaatsvinden. Het is dus een raadsel waarom dit niet gebeurt. Een kritische parameter staat bekend als de magnetische energiekloof van het monster, het is nog nooit eerder gemeten. Hoe groter deze kloof, hoe stabieler het effect zou moeten zijn op de invloed van temperatuur.

Een internationaal team onder leiding van HZB-natuurkundige prof. dr. Oliver Rader en prof. dr. Gunther Springholz van de Universiteit van Linz heeft een doorbraak bereikt. Via foto-elektronenspectroscopie met synchrotronstraling van BESSY II, ze hebben voor het eerst de energiekloof in zo'n monster kunnen meten. Om dit te bereiken, de ARPES1cube werd gebruikt om extreem lage temperaturen te bereiken; de onderzoekers gebruikten het nieuwe spin-oplossend vermogen van het Russisch-Duitse laboratorium in BESSY II. Verrassend genoeg, de kloof was eigenlijk vijf keer groter dan theoretisch voorspeld.

De wetenschappers vonden ook een eenvoudige reden voor dit resultaat:"We weten nu dat mangaandoping niet op een ongeordende manier gebeurt. Integendeel, het veroorzaakt gelaagdheid die bekend staat als een bovenbouw in het materiaal - lagen net als een bladerdeeg, " legt Springholz uit. "Door een paar procent mangaan toe te voegen, afwisselende eenheden van zeven en vijf lagen worden gecreëerd. Dit zorgt ervoor dat het mangaan bij voorkeur wordt opgenomen in de zevenlaagse eenheden en zo de energiekloof veel effectiever kan genereren."

Rader zegt achteraf dat de verbeeldingskracht van onderzoekers bij het gebruik van doteermiddelen tot nu toe niet ver genoeg is gegaan. Ze gebruikten driewaardige elementen zoals chroom en vanadium die magnetische eigenschappen hebben om het bismut in bismuttelluride (Bi ₂ Te ₃ ), met de doteringsatomen in een ongeordende toestand. De reden hiervoor leek erg overtuigend:driewaardige magnetische elementen dragen drie elektronen bij aan chemische bindingen en hun chemische valentie leidt deze elementen naar de bismutplaatsen.

Met mangaan, de situatie is anders. Omdat mangaan tweewaardig is, het past niet echt goed in de bismut-sites. Dat is blijkbaar de reden waarom het systeem radicaal wordt geherstructureerd en een nieuwe dubbele laag atomen creëert waarin mangaan bivalent kan worden opgenomen. "Op deze manier, er wordt op een zelfgeorganiseerde manier een structuur gecreëerd waarin mangaan de grote magnetische energiekloof kan produceren, ", legt Rader uit.

Als deze verschijnselen van zelforganisatie op specifieke manieren worden uitgebuit, dan kunnen volledig nieuwe configuraties ontstaan ​​voor magnetische topologische materialen, volgens Springholz. In principe, de kloof die nu is gemeten, is al zo groot dat het de constructie van een QAHE op bijna kamertemperatuur uit geschikte componenten mogelijk moet maken. Echter, andere parameters moeten nog worden verbeterd. Een dergelijke magnetische topologische isolator in combinatie met een gewone supergeleider zou ook de realisatie van een kwantumverwerkingseenheid (Qbit) voor een kwantumcomputer mogelijk kunnen maken.