(Phys.org) -- Onderzoekers van de Universiteit van Maryland en het NIST Center for Nanoscale Science and Technology hebben voor het eerst experimenteel ladingsgeleiding aan het oppervlak aangetoond in een topologische isolator [1], en hebben de geleiding theoretisch verklaard met behulp van technieken die eerder met succes zijn toegepast om grafeen te begrijpen [2].

Het onderzoeksteam ontdekte dat de dunne Bi ₂ Se ₃ bestudeerde kristallen hebben ongebruikelijke magneto-elektronische eigenschappen waardoor dergelijke topologische isolatoren kunnen worden gebruikt in nieuwe soorten apparaten, inclusief high-performance transistors, magnetische sensoren, en optische detectoren.

Een topologische isolator is een ongebruikelijk type driedimensionaal materiaal waarvan theoretisch wordt voorspeld dat het elektrische lading alleen op een tweedimensionale grens draagt.

Zoals onlangs door experiment is geverifieerd, topologische isolatoren gedragen zich in hun inwendige als een elektrische isolator, maar geleiden elektronen op hun oppervlak.

Er is ook voorspeld dat topologische isolatoren een ongebruikelijke elektronische bandstructuur van het Dirac-type hebben (gedeeld door grafeen), waarbij de elektronenenergie een lineaire afhankelijkheid van momentum heeft, zoals te zien in fotonen.

Door het ladingstransport op het oppervlak van dunne Bi2Se3-kristallen direct te meten, de onderzoekers toonden aan dat het gedrag aan de oppervlakte consistent is met een Dirac-band waarin de elektronen zwak interageren en ongeordend zijn.

Deze kenmerken van de Dirac-band impliceren dat, in tegenstelling tot grafeen, de geleidende elektronen aan het oppervlak van topologische isolatoren hebben een unieke koppeling tussen hun spins en ladingen.

Deze koppeling zou aanleiding kunnen geven tot nieuwe soorten solid-state apparaten, inclusief kleinere magnetische componenten waarvan de logica kan worden geschakeld met behulp van spinstromen op nanoschaal.