Onderzoekers hebben een exotische 3D-racebaan gemaakt voor elektronen in ultradunne plakjes van een nanomateriaal dat ze hebben gefabriceerd in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy.

Het internationale team van wetenschappers van Berkeley Lab, UC Berkeley, en Duitsland waargenomen, Voor de eerste keer, een uniek gedrag waarbij elektronen rond één oppervlak roteren, dan door het grootste deel van het materiaal naar het tegenoverliggende oppervlak en terug.

De mogelijkheid om zogenaamde "topologische materie" te ontwikkelen die elektrische stroom op het oppervlak kan geleiden zonder verlies bij kamertemperatuur, heeft aanzienlijke belangstelling gewekt in de onderzoeksgemeenschap. Het uiteindelijke doel is om de verliesvrije geleiding van een andere klasse materialen te benaderen, bekend als supergeleiders, maar zonder de noodzaak van het extreme, vriestemperaturen die supergeleiders nodig hebben.

"Microchips verliezen zoveel energie door warmteafvoer dat het een beperkende factor is, " zei James Analytis, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab en assistent-professor natuurkunde aan UC Berkeley die de studie leidde, gepubliceerd in Natuur . "Hoe kleiner ze worden, hoe meer ze opwarmen."

Het bestudeerde materiaal, een anorganisch halfmetaal genaamd cadmiumarsenide (Cd3As2), vertoont kwantumeigenschappen - die niet worden verklaard door de klassieke wetten van de fysica - die een nieuwe benadering bieden voor het verminderen van afvalenergie in microchips. In 2014, wetenschappers ontdekten dat cadmiumarsenide enkele elektronische eigenschappen deelt met grafeen, een enkel atoom dik materiaal dat ook oog heeft voor computercomponenten van de volgende generatie, maar in een 3D-vorm.

"Het opwindende aan deze verschijnselen is dat, in theorie, ze worden niet beïnvloed door temperatuur, en het feit dat ze in drie dimensies bestaan, maakt de fabricage van nieuwe apparaten mogelijk gemakkelijker, ' zei Analytis.

De cadmiumarsenidemonsters vertoonden een kwantumeigenschap die bekend staat als "chiraliteit" die de fundamentele eigenschap van spin van een elektron koppelt aan zijn momentum, waardoor het in wezen links- of rechtshandige eigenschappen krijgt. Het experiment bood een eerste stap in de richting van het doel om chiraliteit te gebruiken voor het transporteren van lading en energie door een materiaal zonder verlies.

In het experiment, onderzoekers vervaardigden en bestudeerden hoe elektrische stroom zich voortplant in schijfjes van een cadmiumarseenkristal van slechts 150 nanometer dik, of ongeveer 600 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar, bij blootstelling aan een sterk magnetisch veld.

De kristalmonsters zijn gemaakt in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, die zich richt op het bouwen en bestuderen van materialen op nanoschaal, en hun 3D-structuur werd gedetailleerd met behulp van röntgenstralen bij Berkeley Lab's Advanced Light Source.

Er zijn nog veel mysteries over de exotische eigenschappen van het bestudeerde materiaal, en als volgende stap zoeken onderzoekers naar andere fabricagetechnieken om een ​​soortgelijk materiaal te bouwen met ingebouwde magnetische eigenschappen, er is dus geen extern magnetisch veld nodig.

"Dit is niet het juiste materiaal voor een toepassing, maar het vertelt ons dat we op de goede weg zijn, ' zei Analytis.

Als onderzoekers succesvol zijn in hun modificaties, een dergelijk materiaal zou mogelijk kunnen worden gebruikt voor het construeren van verbindingen tussen meerdere computerchips, bijvoorbeeld, voor computers van de volgende generatie die afhankelijk zijn van de spin van een elektron om gegevens te verwerken (bekend als "spintronica"), en voor het bouwen van thermo-elektrische apparaten die afvalwarmte omzetten in elektrische stroom.

Het was eerst niet duidelijk of het onderzoeksteam zelfs in staat zou zijn om een ​​monster te maken dat zuiver genoeg zou zijn op de kleine schaal die nodig is om het experiment uit te voeren, aldus Analytis.

"We wilden de oppervlaktetoestanden van elektronen in het materiaal meten. Maar dit 3D-materiaal geleidt ook elektriciteit in de bulk - het is het centrale gebied - en ook aan het oppervlak, "zei hij. Als gevolg hiervan, als je de elektrische stroom meet, het signaal wordt overspoeld door wat er in de bulk gebeurt, dus je ziet nooit de oppervlaktebijdrage."

Dus verkleinden ze het monster van miljoensten van een meter tot nanoschaal om ze meer oppervlakte te geven en ervoor te zorgen dat het oppervlaktesignaal het dominante signaal zou zijn in een experiment.

"We besloten dit te doen door monsters in kleinere structuren te vormen met behulp van een gerichte bundel geladen deeltjes, " zei hij. "Maar het is bekend dat deze ionenstraal een ruwe manier is om het materiaal te behandelen - het is typisch intrinsiek schadelijk voor oppervlakken, en we dachten dat het nooit zou werken."

Maar Philip J.W. Mol, nu bij het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen in Duitsland, een manier gevonden om deze schade te minimaliseren en fijngepolijste oppervlakken in de kleine plakjes te voorzien met behulp van gereedschappen bij de Molecular Foundry. "Iets snijden en het tegelijkertijd niet beschadigen zijn natuurlijke tegenpolen. Ons team moest de ionenbundelfabricage tot het uiterste duwen van lage energie en strakke bundelfocus om dit mogelijk te maken."

Toen onderzoekers een elektrische stroom op de monsters aanbrachten, ze ontdekten dat elektronen in cirkels rondrennen, vergelijkbaar met hoe ze rond de kern van een atoom draaien, maar hun pad gaat door zowel het oppervlak als het grootste deel van het materiaal.

Het aangelegde magnetische veld duwt de elektronen rond het oppervlak. Wanneer ze dezelfde energie en hetzelfde momentum van de bulkelektronen bereiken, ze worden getrokken door de chiraliteit van de massa en naar het andere oppervlak geduwd, dit vreemd kronkelende pad herhalend totdat ze worden verstrooid door materiële gebreken.

Het experiment vertegenwoordigt een succesvol huwelijk van theoretische benaderingen met de juiste materialen en technieken, aldus Analytis.

"Dit was getheoretiseerd door Andrew Potter in ons team en zijn collega's, en ons experiment markeert de eerste keer dat het werd waargenomen, "Zei Analytis. "Het is zeer ongebruikelijk - er is geen analoog fenomeen in enig ander systeem. De twee oppervlakken van het materiaal 'praten' met elkaar over grote afstanden vanwege hun chirale aard."

"We hadden dit gedrag voorspeld als een manier om de ongebruikelijke eigenschappen te meten die in deze materialen worden verwacht, en het was heel opwindend om deze ideeën tot leven te zien komen in echte experimentele systemen, " zei Potter, een assistent natuurkunde professor aan de Universiteit van Texas in Austin. "Philip en medewerkers hebben een aantal geweldige innovaties doorgevoerd om extreem dunne en hoogwaardige monsters te produceren, waardoor deze waarnemingen voor het eerst echt mogelijk waren."

Onderzoekers ontdekten ook dat wanorde in de patroonvorming van het kristaloppervlak van het materiaal het gedrag van elektronen daar niet lijkt te beïnvloeden, hoewel wanorde in het centrale materiaal wel invloed heeft op de vraag of de elektronen over het materiaal van het ene oppervlak naar het andere bewegen.

De beweging van de elektronen vertoont een dubbele handigheid, waarbij sommige elektronen in de ene richting rond het materiaal reizen en andere in een tegenovergestelde richting ronddraaien.

Onderzoekers bouwen nu voort op dit werk bij het ontwerpen van nieuwe materialen voor lopende studies, aldus Analytis. "We gebruiken technieken die normaal gesproken beperkt zijn tot de halfgeleiderindustrie om prototype-apparaten te maken van kwantummaterialen."