(PhysOrg.com) -- Een bizarre substantie waarvan wordt voorspeld dat het de elektronica zal doen krimpen en kwantumfysici een nieuw tafelspeelgoed zal geven, gedraagt ​​zich vrijwel zoals de ontwerpers hadden verwacht.

Vorige maand in Natuurmaterialen , SLAC-onderzoekers en hun collega's van Stanford bevestigden hoe elektrische stroom beweegt op kleine linten van topologische isolator - een materiaal dat in zijn bulk isoleert maar ongewoon goed geleidt aan de oppervlakte. Het werk kwam voort uit een nauwe samenwerking tussen de onderzoeksgroepen van Stanford-onderzoeker Yi Cui, en Zhi-Xun Shen en Shoucheng Zhang van het Stanford Institute for Materials and Energy Science.

"Elektrische stroomeigenschappen zijn erg moeilijk te bestuderen in een typisch bulkmonster van deze topologische isolatoren, " zei Sheen, directeur van SIMES, een gezamenlijk Stanford/SLAC-instituut. "Door heel kleine nanoribbons te maken, konden we de unieke oppervlakte-eigenschappen bestuderen."

In extreem dunne linten van het samengestelde bismutselenide, de grote verhouding van randen tot ingewanden maakt de koelste eigenschappen van het materiaal gemakkelijk te detecteren. Elektronen die op het nanoribbon-oppervlak lopen, stromen bijzonder soepel, doen alsof ze geen massa hebben, en een vaste spin hebben - tenminste wanneer de linten worden ondergedompeld in ijskoud vloeibaar helium. In principe, de eigenschappen kunnen zich uitstrekken tot kamertemperatuur.

"Het opent veel toekomstige toepassingen, " zei SIMES-natuurkundige en co-auteur Yulin Chen. Het materiaal kan een zegen zijn voor spintronica, een technologie die elektronenspin gebruikt om informatie op te slaan. De toepassingen van spintronica zijn onder meer minuscule computerchips en sensoren, en kwantumcomputers.

Maar toepassingen zijn slechts een deel van de aantrekkingskracht van de stof. Door hun unieke oppervlakte-eigenschappen, de linten openen nieuwe proeftuin voor natuurkundige theorieën, zei co-auteur Keji Lai, een postdoctoraal wetenschapper in de groep van Shen. De "explosie" van onderzoeksartikelen over het onderwerp sinds deze exotische eigenschappen in 2006 werden voorspeld, spreekt tot de opwinding van de natuurkundigen.

"We kunnen echt spelen met tafelbladsystemen en de kwantummechanica van zeer hoog niveau begrijpen, Lai zei. "Dit [nieuwe resultaat] maakt echt de weg vrij om dat soort experimenten uit te voeren."

Het werk is voortgekomen uit een informeel gesprek tussen Lai en materiaalwetenschapper Hailin Peng, eerder in de Cui-groep aan de Stanford Department of Materials Science and Engineering en nu als faculteit aan de Peking University, China.

"Ik praatte met hem tijdens de lunch en vertelde hem deze familie van interessante materialen, ' zei Lai. 'Hij kwam de volgende dag terug en zei dat ze een idee hadden hoe ze ze moesten bouwen en heel dun konden maken. Een week later, hij liet me elektronenmicroscoopbeelden van deze materialen zien in lintvorm."

Peng, samen met Cui's afgestudeerde studenten Desheng Kong en Stefan Meister, gebruikte een bekende techniek genaamd "Vapor-Liquid-Solid Synthesis" om de linten te laten groeien. Bismutselenidedamp reageert onder lage druk en ovenwarmte met speciaal geprepareerde gouden nanodeeltjes om kleine vloeistofdruppeltjes te vormen. Eenmaal verzadigd, de vloeistof begint vaste bismutselenidelinten te ontkiemen, elk bevestigd aan een gouddeeltje. De diameter van de gouddeeltjes bepaalt de dikte van de nanolinten.

Het dunner en dunner maken van de nanoribbons - totdat ze praktisch allemaal aan het oppervlak zijn - kan de sleutel zijn om hun bizarre gedrag bij kamertemperatuur te zien. Volgens materiaalwetenschapper Yi Cui van Stanford, die nog steeds samenwerkt met Peng, ze kunnen nu nanolinten maken die slechts 10 atomen dik zijn - 25 keer dunner dan die beschreven in het artikel van december.

Op zulke kleine afstanden elektronen aan de boven- en onderkant van de nanoribbons kunnen overspreken, volgens voorspellingen van coauteurs en SIMES-onderzoekers Zhang en Xiaoliang Qi. Alleen de theorie heeft het bizarre gedrag onderzocht dat deze communicatie zou veroorzaken.

"We zijn op dit moment een beetje in de vroege verkenning van de wetenschap, Lai zei. "In de begintijd van de halfgeleiders besteedden mensen veel tijd aan het begrijpen van de fundamentele wetenschap. Toen ze eenmaal de fysieke eigenschappen van deze materialen hadden uiteengezet, de ingenieurs waren zeer krachtig in het bouwen van gecompliceerde constructies en ze in het dagelijks leven te brengen."

Zowel Lai als Chen zouden graag zien dat meer materiaalwetenschappers en ingenieurs zich inzetten.

"Het is onze taak om meer mensen te motiveren en te inspireren om het veld in te gaan, "Zei Chen. "Hoe meer mensen zich bij dit veld aansluiten, hoe sneller de vooruitgang kan zijn."