NUS-natuurkundigen hebben een nieuwe manier gevonden om de topologische randtoestanden in tweedimensionale (2-D) topologische isolatoren (TI's) te creëren en af ​​te stemmen voor mogelijke spintronische apparaattoepassingen.

Een TI is een materiaal dat zich in het interieur als een isolator gedraagt, maar waarvan het oppervlak geleidende toestanden bevat, wat betekent dat elektronen alleen langs het oppervlak van het materiaal kunnen bewegen. evenzo, een 2-D TI is een isolerend 2-D materiaal, maar waarvan de elektronen langs de randen mogen bewegen. 2-D TI's zijn veelbelovende kandidaten voor spin-elektronica en apparaten met minimale/verwaarloosbare energiedissipatie, zoals kwantumcomputers en elektronische apparaten met ultralage energie. Echter, de fabricage van robuuste TI's en de betrouwbare afstemming van hun topologische toestanden zijn een uitdaging. Vooral, 2-D bismuteen (monolaag van bismut met een atomaire honingraatstructuur) wordt voorspeld als de beste kandidaat voor een 2-D TI, maar de bereiding van vrijstaande modi in een enkellaags bismutheen is nog steeds niet gerealiseerd, en de invloed van het substraat op de topologische toestanden is onbekend.

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Andrew WEE van de afdeling Natuurkunde, NUS heeft met succes een bismutheen-homostructuur gecreëerd met behulp van moleculaire bundelepitaxie (MBE). Met behulp van deze depositiemethode bij lage temperatuur, een enkele laag bismutheen kan worden gekweekt op een enkele laag zwart-fosforachtige bismutlaag (BP-Bi) om een ​​verticale homostructuur te vormen met verschillende rotatiehoeken tussen de twee lagen. Omdat de twee lagen in de homostructuur verschillende atoomrangschikkingen hebben, de interactie tussen de lagen tussen deze twee lagen blijkt grotendeels te worden verminderd en periodiek gewijzigd. Dit resulteert in een bijna vrijstaande monolaag van bismutheen met afstembare topologische randtoestanden.

Moiré-patronen zijn interferentiepatronen met een groot oppervlak die worden geproduceerd wanneer een periodiek rooster op een ander soortgelijk rooster wordt gelegd, typisch bij een kleine relatieve rotatiehoek. Deze nieuwe methode om het moiré-patroon te gebruiken dat wordt gevormd door twee 2D-materialen ten opzichte van elkaar te roteren, kan mogelijk worden gebruikt om doelbewust de prestaties van het apparaat te regelen.

Dr. GOU Jian, een onderzoeksmedewerker in het team, uitgelegd, "In tegenstelling tot 3D-halfgeleiders waar de elektronische eigenschappen worden afgestemd door de introductie van dopingatomen, de eigenschappen van atomair dunne 2D-materialen worden gemakkelijk gewijzigd door doteringsatomen. Vandaar, de observatie van topologische toestandsmodulatie door een bismutheen-homostructuur biedt een schadevrije methode om de elektronische toestanden in 2-D TI-apparaten te regelen."

"Het opwindende veld van twistronics is onlangs aangetoond in grafeen, en dit werk over bismutheen onthult zijn schoonheid in het blootleggen van de topologische randtoestanden in een 2D-materiaal, " voegde prof. Wee toe.

Het team is van plan om dergelijke nieuwe moiré-patronen verder te onderzoeken, in de hoop een meer robuuste afstemming van de elektronische toestanden in 2-D TI's te realiseren.