Quantum spin Hall-isolatoren zijn een klasse van tweedimensionale (2D) topologische toestanden van materie die elektrisch isolerend zijn in hun interieur, maar, in tegenstelling tot halfgeleiders, dragen een paar eendimensionale (1D) metalen toestanden, die strikt beperkt zijn tot hun randen.

Bijzonder aan deze 'edgy' 1D-elektronen is dat ze zijn wat natuurkundigen spiraalvormig noemen:dat wil zeggen, de spins van geleidingselektronen zijn uitgelijnd en gebonden aan de richting waarin elektronen langs de 1D-rand bewegen, verwant aan een paar spin-gepolariseerde eendimensionale draden. Deze spiraalvormige eigenschappen bieden mogelijke oplossingen voor problemen in de elektronica en spintronica, evenals kwantum elektronische apparaten.

Net zoals een vel papier zijn twee kanten behoudt, zelfs als het verfrommeld is, de fysieke eigenschappen van de metalen randtoestanden van een kwantumspin Hall-isolator zijn opmerkelijk stabiel tegen verstoringen - ze worden beschermd door topologie.

Twee decennia geleden voor het eerst theoretisch voorspeld, deze exotische, topologische toestand van materie voor het eerst gerealiseerd in zorgvuldig ontworpen, gelaagde halfgeleider heterostructuren.

Recenter, klassen van atomair dunne kristallen ontstaan, vergelijkbaar met het beroemde grafeen, die deze elektronische toestand van materie hosten als een intrinsieke eigenschap.

In hun artikel in Geavanceerde materialen in april 2021 (link hieronder), het team beoordeelt recente ontwikkelingen in materiaaltechniek naast de theoretische beschrijving, het onderzoeken van de bibliotheek van veelbelovende atomair dunne quantum spin Hall-isolatoren met het oog op klassieke en quantum elektronische apparaattoepassingen.

Bijvoorbeeld, het temperatuurbereik waarover de exotische randtoestanden kunnen worden benut, schalen met de eigenschappen van deze kristallen, zoals de koppelingssterkte van de spin van het elektron aan zijn baanmomentum.

Terwijl op halfgeleider heterostructuur gebaseerde kwantumspin Hall-isolatoren alleen zijn gekarakteriseerd bij vloeibare heliumtemperaturen (T <4,2K), recente vooruitgang heeft geleid tot de ontwikkeling van atomair dunne kristallen die hun kwantumspin Hall-eigenschappen tot 100 K behouden, veelbelovende kamertemperatuurdemonstraties in de toekomst.

Quantum spin Hall-isolatoren kunnen worden gebruikt voor nieuwe soorten elektronica die minder stroom verbruiken, maar dit zou een werking op kamertemperatuur vereisen om dure (en energieverslindende) koeling te voorkomen.

Bij de extremen van lage temperatuur waar supergeleiding kan worden geïnduceerd, er zijn vooral veelbelovende toepassingen voor kwantumcomputers voorspeld. Bij supergeleidend, Er is voorspeld dat de 1D-randstaten een exotisch type quasideeltjes bevatten genaamd "Majorana-fermionen, " wat noch fermion noch boson is. Inderdaad, deze anyons fungeren als hun eigen antideeltje en gehoorzamen aan exotische niet-Abeliaanse quasideeltjesstatistieken, waardoor ze opwindende kandidaten zijn als dragers van kwantuminformatie.

Inderdaad, vanwege hun topologische bescherming tegen externe storingen, van deze exotische fermionen is voorspeld dat ze een mogelijke oplossing bieden voor een veelvoorkomend probleem in kwantumberekening, dat is om lange coherentietijden te behouden - dat wil zeggen, de tijdschaal waarop kwantuminformatie kan worden opgeslagen en verwerkt.

Op Majorana gebaseerde topologische kwantumcomputing wordt vaak beschouwd als een van de meest uitdagende fysieke problemen van onze tijd. Het heeft enorme media-aandacht en kritiek gekregen, vooral recentelijk, benadrukt het belang van voortgaand onderzoek naar alternatieve materialen en apparaatplatforms waarin topologische kwantumcomputing kan worden gerealiseerd.

De krant, Atomair dunne Quantum Spin Hall-isolatoren (Michael S. Lodge, Shengyuan A. Yang, Shantanu Mukherjee, en Bent Weber) werd gepubliceerd in Geavanceerde materialen in april 2021.