Spintronica verwijst naar een reeks fysieke systemen die op een dag veel elektronische systemen kunnen vervangen. Om deze generatiesprong te realiseren, materiële componenten die elektronen in één dimensie opsluiten, zijn zeer gewild. Voor de eerste keer, onderzoekers hebben zo'n materiaal gemaakt in de vorm van een speciaal op bismut gebaseerd kristal dat bekend staat als een topologische isolator van hoge orde.

Om spintronische apparaten te maken, er moeten nieuwe materialen worden ontworpen die profiteren van kwantumgedrag dat in het dagelijks leven niet wordt gezien. U bent waarschijnlijk bekend met geleiders en isolatoren, die de stroom van elektronen toestaan ​​en beperken, respectievelijk. Halfgeleiders zijn gebruikelijk, maar voor sommigen minder bekend; deze isoleren meestal, maar handelen onder bepaalde omstandigheden, waardoor ze ideale miniatuurschakelaars zijn.

Voor spintronische toepassingen, er is een nieuw soort elektronisch materiaal nodig en dat wordt een topologische isolator genoemd. Het verschilt van deze andere drie materialen doordat het door zijn gehele omvang isoleert, maar geleidt alleen langs het oppervlak. En wat het geleidt is niet de stroom van elektronen zelf, maar een eigenschap van hen die bekend staat als hun spin of impulsmoment. Deze spinstroom, zoals het bekend is, zou een wereld van ultrasnelle en energiezuinige apparaten kunnen openen.

Echter, niet alle topologische isolatoren zijn gelijk:twee soorten, zogenaamd sterk en zwak, zijn al gemaakt, maar hebben een aantal nadelen. Terwijl ze spin langs hun hele oppervlak geleiden, de aanwezige elektronen hebben de neiging om te verstrooien, waardoor hun vermogen om een ​​spinstroom over te brengen verzwakt. Maar sinds 2017 een derde soort topologische isolator genoemd een hogere orde topologische isolator is getheoretiseerd. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, één is gemaakt door een team van het Institute for Solid State Physics aan de Universiteit van Tokio.

"We hebben een topologische isolator van hogere orde gemaakt met behulp van het element bismut, "zei universitair hoofddocent Takeshi Kondo. "Het heeft het nieuwe vermogen om een ​​spinstroom alleen langs de hoekranden te geleiden, in wezen eendimensionale lijnen. Omdat de spinstroom gebonden is aan één dimensie in plaats van twee, de elektronen verstrooien niet, dus de spinstroom blijft stabiel."

Om dit driedimensionale kristal te maken, Kondo en zijn team stapelden op een bepaalde manier tweedimensionale schijfjes kristal van één atoom dik. Voor sterke of zwakke topologische isolatoren, kristalschijfjes in de stapel zijn allemaal op dezelfde manier georiënteerd, zoals speelkaarten met de afbeelding naar beneden in een kaartspel. Maar om de topologische isolator van hogere orde te creëren, de oriëntatie van de plakjes werd afgewisseld, de metaforische speelkaarten werden herhaaldelijk door de stapel heen en weer naar boven en naar beneden gelegd. Deze subtiele verandering in rangschikking zorgt voor een enorme verandering in het gedrag van het resulterende driedimensionale kristal.

De kristallagen in de stapel worden bij elkaar gehouden door een kwantummechanische kracht die de van der Waals-kracht wordt genoemd. Dit is een van de zeldzame soorten kwantumverschijnselen die je in het dagelijks leven ziet, omdat het gedeeltelijk verantwoordelijk is voor de manier waarop poedervormige materialen samenklonteren en vloeien zoals ze doen. In het kristal, het hecht de lagen aan elkaar.

"Het was opwindend om te zien dat de topologische eigenschappen verschijnen en verdwijnen, alleen afhankelijk van de manier waarop de tweedimensionale atoomplaten werden gestapeld, "zei Kondo. "Zo'n mate van vrijheid in materiaalontwerp zal nieuwe ideeën opleveren, leidend in de richting van toepassingen, waaronder snelle en efficiënte spintronische apparaten, en dingen die we nog moeten bedenken."

De studie is gepubliceerd in Natuurmaterialen .