Een nieuwe techniek maakt het mogelijk om een ​​individuele vingerafdruk te verkrijgen van de stroomvoerende randtoestanden die voorkomen in nieuwe materialen zoals topologische isolatoren of 2D-materialen. Natuurkundigen van de Universiteit van Basel presenteren de nieuwe methode samen met Amerikaanse wetenschappers in Natuurcommunicatie .

Hoewel isolatoren geen elektrische stroom geleiden, sommige speciale materialen vertonen bijzondere elektrische eigenschappen. Hoewel ze niet door hun bulk worden geleid, hun oppervlakken en randen kunnen elektrische stromen ondersteunen als gevolg van kwantummechanische effecten, en doe dit zelfs zonder verliezen te veroorzaken. Dergelijke topologische isolatoren hebben de afgelopen jaren veel belangstelling gekregen vanwege hun opmerkelijke eigenschappen. Vooral, hun robuuste randtoestanden zijn veelbelovend omdat ze tot grote technologische vooruitgang kunnen leiden.

Soortgelijke effecten als de randtoestanden van dergelijke topologische isolatoren treden ook op wanneer een tweedimensionaal metaal wordt blootgesteld aan een sterk magnetisch veld bij lage temperaturen. Wanneer het zogenaamde quantum Hall-effect wordt gerealiseerd, stroom wordt verondersteld alleen aan de randen te stromen, waar meerdere geleidende kanalen worden gevormd.

Individuele randtoestanden aftasten

Tot nu, het was niet mogelijk om de talrijke stroomvoerende staten afzonderlijk aan te pakken of hun posities afzonderlijk te bepalen. De nieuwe techniek maakt het nu mogelijk om met nanometerresolutie een exacte vingerafdruk te verkrijgen van de stroomvoerende randtoestanden. Dit melden onderzoekers van de afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel in samenwerking met collega's van de Universiteit van Californië, Los Angeles, evenals van Harvard en Princeton University, VS.

Om de vingerafdruk van de geleidende randtoestanden te meten, de natuurkundigen onder leiding van prof. Dominik Zumbühl hebben een techniek op basis van tunneling-spectroscopie verder ontwikkeld. Ze hebben een nanodraad van galliumarsenide gebruikt die zich aan de rand van het monster bevindt en parallel loopt aan de onderzochte randtoestanden. In deze configuratie, elektronen kunnen heen en weer springen (tunnelen) tussen een bepaalde randtoestand en de nanodraad zolang de energieën in beide systemen samenvallen. Met behulp van een extra magnetisch veld, de wetenschappers beheersen het momentum van tunneling-elektronen en kunnen individuele randtoestanden aanpakken. Uit de gemeten tunnelstromen, de positie en evolutie van elke randtoestand kan worden verkregen met nanometerprecisie.

De evolutie volgen

Deze nieuwe techniek is zeer veelzijdig en kan ook worden gebruikt om dynamisch evoluerende systemen te bestuderen. Bij het vergroten van het magnetische veld, het aantal randtoestanden wordt verminderd, en hun distributie wordt gewijzigd. Voor de eerste keer, de wetenschappers waren in staat om de evolutie van de volledige randtoestand te bekijken vanaf hun vorming bij zeer lage magnetische velden.

Met toenemend magnetisch veld, de randtoestanden worden eerst naar de monstergrens gecomprimeerd totdat uiteindelijk, ze bewegen naar de binnenkant van het monster en verdwijnen dan volledig. De door het onderzoeksteam ontwikkelde analytische en numerieke modellen komen goed overeen met de experimentele gegevens.

"Deze nieuwe techniek is niet alleen erg handig om de randtoestanden van de quantum Hall te bestuderen, Dominik Zumbühl becommentarieert de resultaten van de internationale samenwerking. "Het kan ook worden gebruikt om nieuwe exotische materialen te onderzoeken, zoals topologische isolatoren, grafeen of andere 2D-materialen."