(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van Stanford en SLAC hebben een mogelijke manier gevonden om de verbazingwekkende eigenschappen van topologische isolatoren - materialen die elektriciteit alleen langs hun oppervlak geleiden - te benutten voor gebruik in elektronica en andere toepassingen.

Een paper die deze week online is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie beschrijft hoe ze twee eerder bekende topologische isolatoren combineerden om een ​​nieuwe te creëren die alleen oppervlaktestromen voert. Vervolgens maakten ze dit materiaal tot extreem dunne, kleine platen en toonden aan dat ze de elektronische eigenschappen van deze nanoplaten konden regelen met behulp van een poort - in wezen, een transistor die opent en sluit om het materiaal van de ene toestand naar de andere te schakelen.

“Gating is erg belangrijk voor elektronische apparaten, ” zei co-auteur Yi Cui, een universitair hoofddocent aan de faculteit van Stanford en SLAC, en het beheersen van de eigenschappen van deze nieuwe materialen "is echt de basis voor het maken van toekomstige elektronische apparaten voor informatieverwerking."

Het onderzoek combineerde de inspanningen van natuurkundigen en materiaalwetenschappers van SIMES, het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, dat is een gezamenlijk instituut van SLAC National Accelerator Laboratory en Stanford University.

Een groep die samenwerkte met Stanford Associate Prof. Ian Fisher bereidde kristallen van de nieuwe verbinding, die drie elementen bevat - bismut, antimoon en telluur. Een andere groep, onder leiding van SLAC Chief Scientist Zhi-Xun Shen, verschillende combinaties van de drie elementen getest om te zien welke de beste elektronische eigenschappen had, met behulp van instrumenten bij de Advanced Light Source van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Ze zochten naar de combinatie waarmee de hoogste stroom op het oppervlak van het materiaal kon vloeien en de minste stroom door het interieur, wat bekend staat als het bulkmateriaal. Deze inwendige stroming interfereert met de gewenste eigenschappen van een topologische isolator.

Eindelijk, Cui's groep vormde de verbinding tot zeszijdige nanoplaten waarvan de eigenschappen konden worden gecontroleerd door een afzonderlijke elektrische stroom aan en uit te schakelen; dat is het poortgedeelte. Door de schakelaar in één richting om te zetten, gedroeg de verbinding zich als een n-type materiaal - een materiaal waarin elektriciteit wordt geleid door negatief geladen elektronen. Door de schakelaar de andere kant op te draaien, veranderde de verbinding in een p-type materiaal, waarin positief geladen "gaten" de stroom droegen. De elektronische chips van tegenwoordig bevatten zowel p- als n-type materialen.

Deze studie is een van de eerste die duidelijk aantoont dat het mogelijk is om een ​​poort te gebruiken om het hele stuk topologisch isolatiemateriaal tussen deze twee toestanden te schakelen.

“Dat is eigenlijk heel belangrijk voor elk soort elektronisch materiaal, zei Desheng Kong, een vierdejaarsstudent in het lab van Cui, wie is de eerste auteur van het rapport. “Je wilt ze niet alleen begrijpen, maar om hun eigendommen te beheersen.”

Het feit dat de eigenschappen van het materiaal kunnen worden afgesteld door een poortstroom toe te passen, betekent ook dat je niet hoeft te beginnen met een perfect materiaal om goede prestaties te bereiken, voegde SLAC-stafwetenschapper Yulin Chen toe, de tweede auteur van het rapport. “Dat is netjes, ' zei hij. “En natuurlijk, op lange termijn, mensen zullen de materialen steeds beter blijven maken.”

Nieuwe apparaten zijn hard nodig omdat het nut van de huidige halfgeleidertechnologie ten einde loopt, zei SIMES Prof. Shoucheng Zhang, die niet bij dit onderzoek betrokken was.

Hij zei dat een van de grootste obstakels voor de voortzetting van de wet van Moore - het idee dat het aantal transistors dat op een geïntegreerde schakeling kan worden geperst elke 18 maanden zal verdubbelen - is dat de elektronen die in de chips van vandaag bewegen te veel dissiperen warmte. “Je voelt eigenlijk dat als je je laptop op schoot legt, ' zei hij. “Het is niet alleen vervelend, maar een chip werkt niet meer, met een bepaalde snelheid, ’ als het te warm wordt.

"Dit is zo'n fundamenteel probleem geworden dat veel mensen denken dat de enige manier om het op te lossen is om de fundamentele architectuur en het werkingsprincipe van de chip te veranderen, "Zhang zei, "en dat is een speeltuin voor natuurkundigen."

Het potentiële voordeel van het gebruik van topologische isolatoren om stromen in chips te geleiden, is dat elektronen die langs het dunne oppervlak van het materiaal reizen, dit met grote efficiëntie doen en zeer weinig warmte genereren. Het is niet alleen de dunheid van het oppervlak die een rol speelt; het is het feit dat deze elektronen iets vertonen dat het "quantum spin Hall-effect" wordt genoemd, " een van de spookachtige realisaties van de kwantummechanica. In tegenstelling tot elektronen in conventionele materialen, elk elektron in een topologische isolator reist in een richting loodrecht op zijn spin.

Het netto-effect is dat de elektronen soepel in dezelfde richting stromen zonder weerstand, rustig om obstakels heen slingeren - zoals onbedoelde verontreinigingen of defecten in het materiaal - in plaats van in alle richtingen te botsen en weg te draaien. Zoals Zhang het uitlegt, het is het verschil tussen een Ferrari die door een drukke marktplaats raast en dezelfde auto die over een snelweg rijdt.

De opwinding rond topologische isolatoren is niet beperkt tot hun potentiële bruikbaarheid in elektronische apparaten. Ze kunnen wetenschappers ook inzicht geven in een grote verscheidenheid aan exotische verschijnselen, inclusief hypothetische deeltjes genaamd axions, die zou kunnen helpen om donkere materie te verklaren, en magnetische monopolen.

Het was Zhang die, in 2006, hielp een waanzinnige aanval op gang te brengen om topologische isolatoren te onderzoeken door te voorspellen dat een legering van kwik en tellurium zich als één zou gedragen. Binnen een jaar, een groep in Duitsland maakte deze verbinding en toonde aan dat het inderdaad werkte, maar alleen bij zeer lage temperaturen. In 2009, Chen, Shen, Fisher en hun collega's bewezen dat bismuttelluride – een goedkoper, overvloediger en gemakkelijker te hanteren materiaal - is een topologische isolator bij kamertemperatuur, en het veld ging echt van de grond.

Het laatste resultaat is “een belangrijke stap, "Zhang zei, in de wereldwijde inspanning van vele groepen wetenschappers om de eigenschappen van deze nieuwe materialen te benutten.