Nieuwe energiezuinige elektronische apparaten zijn mogelijk mogelijk dankzij onderzoek dat het kwantum-anomalous Hall-effect (QAH) aantoont - waarbij een elektrische stroom geen energie verliest als deze langs de randen van het materiaal stroomt - over een breder scala aan omstandigheden. Een team van onderzoekers uit Penn State heeft het QAH-effect experimenteel gerealiseerd in een meerlaagse isolator, in wezen een snelweg met meerdere rijstroken voor het transport van elektronen die de snelheid en efficiëntie van informatieoverdracht zou kunnen verhogen zonder energieverlies.

"Laag energieverbruik is de sleutel in elektronische apparaten, er is dus veel onderzoek naar materialen die de efficiëntie van de elektronenstroom kunnen verbeteren, " zei Cui-Zu Chang, assistent-professor natuurkunde aan Penn State die het onderzoek leidde. "Het verhogen van het aantal elektronen in de meeste metalen resulteert in een soort verkeersopstopping omdat elektronen die in verschillende richtingen bewegen, worden verstrooid en elkaar afstoten. Maar in QAH-isolatoren, elektronenstroom is beperkt tot de randen, en elektronen aan de ene rand kunnen maar in één richting gaan en die aan de andere rand kunnen alleen de tegenovergestelde richting gaan, zoals het splitsen van een weg in een tweebaans snelweg. In dit onderzoek, we hebben QAH-isolatoren gefabriceerd die gelaagd kunnen worden om in wezen parallelle snelwegen op elkaar te creëren."

QAH-isolatoren zijn gemaakt van een materiaal dat een topologische isolator wordt genoemd - een dunne filmlaag met een dikte van slechts enkele tientallen atomen - die magnetisch is gemaakt zodat ze alleen stroom langs de randen geleiden. Om topologische isolatoren magnetisch te maken, onderzoekers voegen magnetische onzuiverheden toe aan het materiaal in een proces dat verdunde magnetische doping wordt genoemd. In dit onderzoek, het onderzoeksteam van Penn State gebruikte een techniek genaamd moleculaire bundelepitaxie om meerlagige topologische isolatoren te fabriceren, zorgvuldig controleren waar magnetische doping plaatsvond.

"QAH-isolatoren zijn van bijzonder belang omdat ze in theorie geen energiedissipatie hebben, wat betekent dat elektronen geen energie verliezen in de vorm van warmte als elektrische stroom langs de randen stroomt, " zei Chao-Xing Liu, universitair hoofddocent natuurkunde aan Penn State en co-auteur van het artikel. "Deze unieke eigenschap maakt QAH-isolatoren een goede kandidaat voor gebruik in kwantumcomputers en andere kleine, snelle elektronische apparaten."

In eerdere onderzoeken, het QAH-effect was alleen experimenteel gerealiseerd in materialen waar een belangrijke hoeveelheid, het Chern-getal genaamd, een waarde van 1 had. in wezen met een enkele tweebaans snelweg voor elektronen. In dit onderzoek, de onderzoekers stapelden afwisselende lagen van magnetische en niet-magnetische topologische isolatoren en waren in staat om de QAH-toestand te realiseren met Chern-getallen tot 5, in wezen 5 parallelle snelwegen aanleggen voor elektronen aan elke kant van het materiaal voor een totaal van 10 rijstroken. Ze presenteren hun resultaten in een paper die op 16 december online in het tijdschrift verschijnt Natuur .

"We zien wel enige stroomdissipatie op verbindingspunten tussen QAH-isolatoren en metalen elektroden, die optreedt in de vorm van warmte, "zei Liu. "Je kunt het zien als de op- en afritten van een drukke snelweg, waar de smalle invoegstrook in het bestemmingsverkeer je afremt. Door meer parallelle snelwegen aan te leggen, meer invoegstroken kunnen de snelwegen aansluiten op het bestemmingsverkeer, zodat de algehele snelheid van het hele verkeerssysteem sterk kan worden verbeterd."

De onderzoekers ontdekten dat door de dikte van de QAH-isolatielagen te vergroten, of door de concentratie van magnetische doping in de QAH-laag te manipuleren, ze konden het Chern-nummer van het monster afstemmen. "Met andere woorden, we zouden het aantal rijstroken op de snelweg kunnen veranderen met een externe knop, "zei Chang. "Zelfs bij hoge Chern-nummers, de QAH-isolatoren hadden geen dissipatie langs de randkanalen. Dit biedt een proof-of-concept voor apparaten die profiteren van deze dissipatieloze randstroom."

In dit onderzoek, de onderzoekers fabriceerden zorgvuldig afzonderlijke QAH-isolatoren met verschillende Chern-nummers. In de toekomst, ze hopen een techniek te ontwikkelen om het Chern-nummer van een reeds gefabriceerd monster af te stemmen, voor "real-time" controle van het elektronenverkeer in een informatiesnelweg.

Het vertalen van de fundamentele vooruitgang die in dit onderzoek is geboekt in een praktische technologie is nog steeds een uitdaging, aangezien de hier bestudeerde verschijnselen beperkt zijn tot zeer lage temperaturen - ongeveer een honderdste graad Kelvin boven het absolute nulpunt. Maar Chang is optimistisch:"Door creatieve materiële synthese, we kunnen scenario's bedenken die ons kunnen helpen deze effecten te realiseren onder technologisch relevante omstandigheden."