Wetenschap
Met een nieuwe techniek kunnen wetenschappers weerstandsvrije elektronenkanalen creëren
Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft de eerste beelden met atomaire resolutie gemaakt en de elektrische controle van een chirale interfacetoestand gedemonstreerd – een exotisch kwantumfenomeen dat onderzoekers zou kunnen helpen kwantumcomputers en energie-efficiënte elektronica vooruit te helpen.
De chirale interfacetoestand is een geleidend kanaal waardoor elektronen slechts in één richting kunnen reizen, waardoor wordt voorkomen dat ze naar achteren worden verspreid en energieverspillende elektrische weerstand veroorzaken. Onderzoekers proberen de eigenschappen van chirale grensvlaktoestanden in echte materialen beter te begrijpen, maar het visualiseren van hun ruimtelijke kenmerken is uitzonderlijk moeilijk gebleken.
Maar nu hebben beelden met atomaire resolutie, vastgelegd door een onderzoeksteam van Berkeley Lab en UC Berkeley, voor het eerst direct een chirale interfacetoestand gevisualiseerd. De onderzoekers demonstreerden ook de on-demand creatie van deze weerstandsvrije geleidende kanalen in een 2D-isolator.
Hun werk, gerapporteerd in het tijdschrift Nature Physics , maakt deel uit van Berkeley Lab's bredere streven om quantum computing en andere toepassingen van kwantuminformatiesystemen te bevorderen, inclusief het ontwerp en de synthese van kwantummaterialen om tegemoet te komen aan dringende technologische behoeften.
“Eerdere experimenten hebben aangetoond dat chirale grensvlaktoestanden bestaan, maar niemand heeft ze ooit met zo’n hoge resolutie gevisualiseerd. Ons werk laat voor het eerst zien hoe deze 1D-toestanden er op atomaire schaal uitzien, inclusief hoe we ze kunnen veranderen – en zelfs maak ze”, zegt eerste auteur Canxun Zhang, een voormalig afgestudeerd student-onderzoeker bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en het Department of Physics van UC Berkeley. Hij is nu postdoctoraal onderzoeker aan UC Santa Barbara.
Chirale grensvlaktoestanden kunnen voorkomen in bepaalde soorten 2D-materialen die bekend staan als quantum anomalous Hall (QAH) isolatoren die in bulk isolatoren zijn maar elektronen zonder weerstand geleiden aan eendimensionale "randen" - de fysieke grenzen van het materiaal en interfaces met andere materialen.
Om chirale interfacetoestanden voor te bereiden, werkte het team bij de Molecular Foundry van Berkeley Lab aan de fabricage van een apparaat genaamd twisted monolayer-bilayer grafeen, een stapel van twee atomair dunne lagen grafeen die precies ten opzichte van elkaar zijn geroteerd, waardoor een moiré-superrooster ontstaat dat de QAH-effect.
In daaropvolgende experimenten aan de UC Berkeley Department of Physics gebruikten de onderzoekers een scanning tunneling microscoop (STM) om verschillende elektronische toestanden in het monster te detecteren, waardoor ze de golffunctie van de chirale interfacetoestand konden visualiseren. Andere experimenten toonden aan dat de chirale interfacetoestand over het monster kan worden verplaatst door de spanning op een poortelektrode die onder de grafeenlagen is geplaatst, te moduleren.
In een laatste demonstratie van controle toonden de onderzoekers aan dat een spanningspuls vanaf de punt van een STM-sonde een chirale interfacestatus in het monster kon "schrijven", deze kon wissen en zelfs een nieuwe kon herschrijven waarbij elektronen in de tegenovergestelde richting stromen.
De bevindingen kunnen onderzoekers helpen bij het bouwen van afstembare netwerken van elektronenkanalen die veelbelovend zijn voor energie-efficiënte micro-elektronica en magnetische geheugenapparaten met laag vermogen in de toekomst, en voor kwantumberekeningen die gebruik maken van het exotische elektronengedrag in QAH-isolatoren.
De onderzoekers zijn van plan hun techniek te gebruiken om meer exotische natuurkunde te bestuderen in verwante materialen, zoals anyons, een nieuw type quasideeltje dat een route naar kwantumberekeningen mogelijk zou kunnen maken.
"Onze resultaten leveren informatie op die voorheen niet mogelijk was. Er is nog een lange weg te gaan, maar dit is een goede eerste stap", aldus Zhang.