Een belangrijke doorbraak is bereikt door kwantumfysici uit Dresden en Würzburg. Ze hebben een halfgeleiderapparaat gemaakt waarbij uitzonderlijke robuustheid en gevoeligheid worden verzekerd door een kwantumfenomeen. Dit topologische skin-effect beschermt de functionaliteit van het apparaat tegen externe verstoringen, waardoor metingen met een ongekende precisie mogelijk zijn.

Deze opmerkelijke vooruitgang is het resultaat van de slimme plaatsing van de contacten op het aluminium-gallium-arsenide-materiaal. Het ontsluit potentieel voor uiterst nauwkeurige kwantummodules in de topologische fysica, waardoor deze materialen onder de aandacht van de halfgeleiderindustrie komen te komen. Deze resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics , markeer een belangrijke mijlpaal.

Topologisch fenomeen in een halfgeleiderapparaat

Halfgeleiderapparaten zijn kleine schakelcomponenten die de elektronenstroom in moderne elektronische apparaten regelen. Ze voeden alomtegenwoordige high-tech apparaten zoals mobiele telefoons, laptops en autosensoren, maar ook de modernste medische apparatuur. Materiële onzuiverheden of temperatuurveranderingen kunnen echter de stroom van elektronen verstoren, wat tot instabiliteit leidt.

Maar nu hebben theoretische en experimentele natuurkundigen van de Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter een halfgeleiderapparaat ontwikkeld op basis van aluminium-gallium-arsenide (AlGaAs). De elektronenstroom van dit apparaat, die doorgaans gevoelig is voor interferentie, wordt gewaarborgd door een topologisch kwantumfenomeen.

"Dankzij het topologische skin-effect worden alle stromen tussen de verschillende contacten op de kwantumhalfgeleider niet beïnvloed door onzuiverheden of andere externe verstoringen. Dit maakt topologische apparaten steeds aantrekkelijker voor de halfgeleiderindustrie. Ze elimineren de noodzaak van extreem hoge niveaus van materiaalzuiverheid die momenteel de kosten van de productie van elektronica opdrijven”, legt professor Jeroen van den Brink uit, directeur van het Instituut voor Theoretische Vastestoffysica van het Leibniz Instituut voor Vastestof- en Materiaalonderzoek in Dresden (IFW) en hoofdonderzoeker van ct .qmat.

Topologische kwantummaterialen, bekend om hun uitzonderlijke robuustheid, zijn bij uitstek geschikt voor energie-intensieve toepassingen. "Onze kwantumhalfgeleider is zowel stabiel als toch zeer nauwkeurig - een zeldzame combinatie. Dit positioneert ons topologische apparaat als een opwindende nieuwe optie in sensortechniek."

Extreem robuust en ultraprecies

Door gebruik te maken van het topologische skin-effect zijn nieuwe soorten hoogwaardige elektronische kwantumapparaten mogelijk die ook ongelooflijk klein kunnen zijn. "Ons topologische kwantumapparaat heeft een diameter van ongeveer 0,1 millimeter en kan gemakkelijk nog verder worden verkleind", zegt van den Brink.

Het baanbrekende aspect van de prestatie van het team van natuurkundigen uit Dresden en Würzburg is dat zij de eersten waren die het topologische huideffect op microscopische schaal in een halfgeleidermateriaal realiseerden. Dit kwantumfenomeen werd drie jaar geleden voor het eerst op macroscopisch niveau gedemonstreerd, maar alleen in een kunstmatig metamateriaal, niet in een natuurlijk materiaal. Dit is daarom de eerste keer dat een klein, op halfgeleiders gebaseerd topologisch kwantumapparaat is ontwikkeld dat zowel zeer robuust als ultragevoelig is.

‘In ons kwantumapparaat wordt de stroom-spanningsrelatie beschermd door het topologische skin-effect, omdat de elektronen beperkt blijven tot de rand. Zelfs als er onzuiverheden in het halfgeleidermateriaal aanwezig zijn, blijft de stroom stabiel’, legt Van den Brink uit.

"Bovendien kunnen de contacten zelfs de kleinste fluctuaties in stroom of spanning detecteren. Dit maakt het topologische kwantumapparaat uitzonderlijk goed geschikt voor het maken van uiterst nauwkeurige sensoren en versterkers met minuscule diameters."

Innovatieve experimenten leiden tot ontdekkingen

Succes werd behaald door materialen en contacten op een creatieve manier te rangschikken op een AlGaAs-halfgeleiderapparaat, waardoor het topologische effect werd geïnduceerd onder ultrakoude omstandigheden en een sterk magnetisch veld. "We hebben het topologische skin-effect echt uit het apparaat gehaald", legt van den Brink uit.

Het natuurkundeteam maakte gebruik van een tweedimensionale halfgeleiderstructuur. De contacten waren zo gerangschikt dat de elektrische weerstand aan de contactranden kon worden gemeten, waardoor het topologische effect direct zichtbaar werd.

Sinds 2019 onderzoekt ct.qmat topologische kwantummaterialen in Würzburg en Dresden, waarbij ze hun buitengewone gedrag onderzoeken onder extreme omstandigheden zoals ultra-lage temperaturen, hoge druk of sterke magnetische velden.

De recente doorbraak is ook het resultaat van duurzame samenwerking tussen wetenschappers op de twee locaties van het cluster. Het nieuwe kwantumapparaat, bedacht op het IFW, was een gezamenlijke inspanning van theoretische natuurkundigen van de Universität Würzburg en zowel theoretische als experimentele onderzoekers in Dresden. Na productie in Frankrijk werd het apparaat getest in Dresden. Jeroen van den Brink en zijn collega's zijn nu toegewijd aan het verder onderzoeken van dit fenomeen, met als doel het te benutten voor toekomstige technologische innovaties.

Meer informatie: Kyrylo Ochkan et al, Niet-hermitische topologie in een quantum Hall-apparaat met meerdere terminals, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02337-4

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat