• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Ny kristall begränsar elektroner till en dimension för spintroniska tillämpningar

    Subtila förändringar i arrangemanget av komponentmaterial kan ha en starkare knock-on effekt på bulkmaterialet än vad man tidigare trott. Kredit:© 2020 Kondo et al

    Spintronics hänvisar till en uppsättning fysiska system som en dag kan ersätta många elektroniska system. För att inse detta generationssprång, materialkomponenter som begränsar elektroner i en dimension är mycket eftertraktade. För första gången, forskare har skapat ett sådant material i form av en speciell vismutbaserad kristall känd som en topologisk isolator av hög ordning.

    För att skapa spintronic-enheter, nya material måste designas som drar fördel av kvantbeteenden som inte syns i vardagen. Du är förmodligen bekant med ledare och isolatorer, som tillåter och begränsar flödet av elektroner, respektive. Halvledare är vanliga men mindre bekanta för vissa; dessa isolerar vanligtvis, men uppträda under vissa omständigheter, vilket gör dem till idealiska miniatyrbrytare.

    För spintronic-tillämpningar, en ny typ av elektroniskt material krävs och det kallas en topologisk isolator. Det skiljer sig från dessa tre andra material genom att isolera hela sin bulk, men leder endast längs dess yta. Och vad den leder är inte själva flödet av elektroner, men en egenskap hos dem som kallas deras snurr eller rörelsemängd. Denna spinnström, som det är känt, skulle kunna öppna upp en värld av enheter med ultrahög hastighet och låg effekt.

    Dock, inte alla topologiska isolatorer är lika:två typer, så kallad stark och svag, redan har skapats, men har några nackdelar. När de utför spinn längs hela sin yta, de närvarande elektronerna tenderar att spridas, vilket försvagar deras förmåga att överföra en spinnström. Men sedan 2017, en tredje sorts topologisk isolator som kallas en topologisk isolator av högre ordning har teoretiserats. Nu, för första gången, en har skapats av ett team vid Institute for Solid State Physics vid University of Tokyo.

    "Vi skapade en topologisk isolator av högre ordning med hjälp av elementet vismut, ", sa docent Takeshi Kondo. "Den har den nya förmågan att kunna leda en spinnström endast längs hörnkanterna, huvudsakligen endimensionella linjer. Eftersom spinnströmmen är bunden till en dimension istället för två, elektronerna sprids inte så spinnströmmen förblir stabil."

    För att skapa denna tredimensionella kristall, Kondo och hans team staplade tvådimensionella skivor av kristall en atom tjock på ett visst sätt. För starka eller svaga topologiska isolatorer, kristallskivor i stapeln är alla orienterade på samma sätt, som att spela kort med framsidan nedåt i en kortlek. Men för att skapa den högre ordningens topologiska isolatorn, skivornas orientering var omväxlande, de metaforiska spelkorten var vända uppåt och nedåt upprepade gånger genom hela högen. Denna subtila förändring i arrangemanget gör en enorm förändring i beteendet hos den resulterande tredimensionella kristallen.

    Kristallskikten i stapeln hålls samman av en kvantmekanisk kraft som kallas van der Waals-kraften. Detta är en av de sällsynta typer av kvantfenomen som du faktiskt ser i det dagliga livet, eftersom det delvis är ansvarigt för hur pulvermaterial klumpar ihop sig och flyter som de gör. I kristallen, det fäster ihop skikten.

    "Det var spännande att se att de topologiska egenskaperna uppträder och försvinner bara beroende på hur de tvådimensionella atomplåtarna staplades, " sa Kondo. "En sådan grad av frihet i materialdesign kommer att ge nya idéer, leder mot applikationer inklusive snabba och effektiva spintroniska enheter, och saker vi ännu inte har förutsett."

    Studien publiceras i Naturmaterial .


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com