Atomair dunne lagen van het halfmetaal wolfraam ditelluride geleiden elektriciteit verliesloos langs smalle, eendimensionale kanalen aan de kristalranden. Het materiaal is dus een topologische isolator van de tweede orde. Door experimenteel bewijs van dit gedrag te verkrijgen, natuurkundigen van de Universiteit van Basel hebben de pool van kandidaatmaterialen voor topologische supergeleiding uitgebreid. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Topologische isolatoren vormen een belangrijk onderzoeksgebied omdat ze mogelijk kunnen worden gebruikt als supergeleiders in de elektronica van de toekomst. Dit soort materialen gedragen zich van binnen als isolatoren, terwijl hun oppervlakken metallische eigenschappen hebben en elektriciteit geleiden. Een driedimensionaal kristal van een topologische isolator geleidt daarom elektriciteit op zijn oppervlak, terwijl er geen stroom naar binnen kan stromen. Bovendien, dankzij de kwantummechanica, de geleidbaarheid aan het oppervlak is bijna verliesloos - de elektriciteit wordt over lange afstanden geleid zonder warmteontwikkeling.

Naast deze materialen er is een andere klasse die bekend staat als topologische isolatoren van de tweede orde. Deze driedimensionale kristallen hebben geleidende, eendimensionale kanalen die alleen langs bepaalde kristalranden lopen. Dergelijke materialen zijn bijzonder geschikt voor mogelijke toepassingen in quantum computing.

theoretische voorspelling

Experts gaan ervan uit dat het halfmetaal bismut enkele eigenschappen vertoont van een topologisch materiaal van de tweede orde. Bovendien, onderzoekers hebben ook voorspeld - vanuit theorie - dat atomair dunne lagen van een ander halfmetaal, wolfraam ditelluride (WTe ₂ ), zullen zich gedragen als topologische isolatoren van de tweede orde, met andere woorden, ze geleiden elektriciteit verliesloos aan de randen terwijl de rest van de laag zich als een isolator gedraagt.

Het team onder leiding van professor Christian Schönenberger van de afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute aan de Universiteit van Basel heeft nu minuscule wolfraamditelluridekristallen geanalyseerd die uit één tot twintig lagen bestaan. Om de elektrische eigenschappen van het materiaal te bepalen, ze bevestigden er supergeleidende contacten aan voordat ze een magnetisch veld aanbrachten. Omdat het materiaal gevoelig was voor oxidatie, de onderzoekers werkten in een speciale zuurstofarme doos en bedekten het wolfraamditelluride met een ander kristal, die stabiel was in de lucht.

Karakteristieke oscillaties

Door de stroom in het hoofdkristal te analyseren, de wetenschappers ontdekten talloze langzaam afnemende oscillaties. "Terwijl een uniforme stroomverdeling leidt tot snel afnemende oscillaties, de extreem geleidende randtoestanden genereren sterk oscillerende, langzaam afnemende stromen zoals die we hebben gemeten, " legt Dr. Artem Kononov uit, eerste auteur van de studie en een Georg H. Endress fellow bij de afdeling Natuurkunde. "De enige mogelijke verklaring voor onze resultaten is dat een groot deel van de stroom langs de smalle randen stroomt."

"Deze waarnemingen ondersteunen theoretische voorspellingen dat wolfraamditelluride een topologisch materiaal van hogere orde is. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor topologische supergeleiding, die toepassingen kunnen hebben op gebieden zoals kwantumcomputers, " zegt Christian Schönenberger, die in het kader van een ERC-project topologische supergeleiding onderzoekt in stapels van bepaalde tweedimensionale materialen.