Smartphones, notebooks en andere elektronische apparaten in ons dagelijks leven profiteren sterk van de steeds toenemende miniaturisering van halfgeleiderapparaten. Deze ontwikkeling heeft echter een prijs:het opsluiten van elektronen versterkt hun verstrooiing - mobiele telefoons worden warmer.

Topologische isolatoren houden beloften in voor een efficiëntere en duurzamere technologie. In tegenstelling tot conventionele halfgeleiders, de stroom vloeit over hun grenzen, waarbij verstrooiing verboden wordt vanwege symmetrieredenen. Met andere woorden, dingen blijven cool! In 2007 Laurens Molenkamp, natuurkundige aan de Universiteit van Würzburg en lid van het Cluster of Excellence, ontdekte het eerste topologische kwantummateriaal, het genereren van een wereldwijde weerklank in de wetenschappelijke gemeenschap.

Indenene – een verborgen honingraat

In de zoektocht naar nieuwe topologische materialen, de meeste theorie-inspanningen tot nu toe waren gericht op tweedimensionale atoomlagen in een honingraatopstelling. De motivatie komt van grafeen, de "Drosophila" van de quantum spin Hall-systemen, of eenvoudiger, een enkele laag van het beroemde grafiet in onze ouderwetse klassieke potloden. Het onderzoeksteam in Würzburg volgde in plaats daarvan een alternatieve route:de theoretische natuurkundigen rond Giorgio Sangiovanni hebben voorgesteld om een ​​eenvoudiger driehoekig atoomrooster te gebruiken.

Dit idee is in de praktijk gebracht door het experimentele team van Ralph Claessen, woordvoerder van de vestiging in Würzburg van ct.qmat. Met behulp van state-of-the-art moleculaire bundeltechnieken, de onderzoekers slaagden erin een enkele laag indiumatomen als driehoekig rooster af te zetten op een siliciumcarbidekristal als drager, wat resulteerde in indeen. Dankzij deze nieuwe combinaties van bouwstenen en chemische elementen, de betreffende elektronen lokaliseren niet direct op de indiumposities, maar bezetten bij voorkeur de vrije ruimte daartussen. Vanuit het perspectief van de elektronen vult hun lading het "negatieve" van het driehoekige indiumrooster dat in feite een honingraatrooster is - verborgen in de holtes van de atomaire structuur.

Projectleider Giorgio Sangiovanni legt dit uit aan de hand van de kwantummechanische aard van deeltjes:"Je kunt de indiumelektronen beschrijven als golven die zich opstapelen in de holtes van het driehoekige rooster waar je ze op het eerste gezicht niet zou verwachten. Interessant is dat de resulterende 'verborgen' honingraatconnectiviteit leidt tot een bijzonder robuuste topologische isolator, meer dan grafeen."

Topologische kwantummaterialen met onderscheidende voordelen

Het unieke materiaalontwerp dat heeft geleid tot de synthese van indeen kan de huidige technologische status op het gebied van topologische elektronica verbeteren:in tegenstelling tot grafeen, indeen hoeft niet te worden afgekoeld tot ultra-lage temperaturen om zijn eigenschappen als topologische isolator te manifesteren. Dit is een gevolg van het bijzonder eenvoudige driehoekige rooster dat grote structurele domeinen mogelijk maakt, vaak een ernstig knelpunt in de synthese van andere topologische materialen.

"We waren inderdaad verrast, dat zo'n eenvoudige atomaire structuur topologische eigenschappen kan vertonen. Dit is een essentiële troef voor de succesvolle groei van perfecte indeenfilms die kunnen voldoen aan de veeleisende normen die vereist zijn voor nanofabricage van apparaten. Verder, het gebruik van siliciumcarbide als ondersteunend substraat stelt ons in staat om verbinding te maken met gevestigde halfgeleidertechnologie, " zegt Ralph Claessen, commentaar geven op het wetenschappelijke resultaat.

Outlook

De eenvoudige structuur van indeen vormt tegelijkertijd een uitdaging:zodra de enkele laag indiumatomen in contact komt met lucht, het materiaal verliest zijn bijzondere eigenschappen. Om deze reden ontwikkelen de onderzoekers momenteel een atomaire afdeklaag die indeen tijdens de synthese kan beschermen tegen ongewenste verontreiniging. Een oplossing voor deze problemen zal de weg vrijmaken voor een grootschalig gebruik van deze topologische kwantummaterialen.