Fysiker vid universitetet i Würzburg har gjort en häpnadsväckande upptäckt i en specifik typ av topologiska isolatorer. Effekten beror på strukturen hos de använda materialen. Forskarna har nu publicerat sitt arbete i tidningen Vetenskap .

Topologiska isolatorer är för närvarande det heta ämnet i fysik enligt tidningen Neue Zürcher Zeitung. För bara några veckor sedan, deras betydelse framhölls igen när Kungliga Vetenskapsakademien i Stockholm delade ut årets Nobelpris i fysik till tre brittiska forskare för sin forskning om så kallade topologiska fasövergångar och topologiska faser av materia.

Topologiska isolatorer studeras också vid avdelningarna för experimentell fysik II och teoretisk fysik I vid universitetet i Würzburg. Dock, de fokuserar på en specialversion av isolatorer som kallas topologiska kristallina isolatorer (TCI). I samarbete med den polska vetenskapsakademien i Warszawa och universitetet i Zürich, Würzburg -fysiker har nu uppnått ett stort genombrott. De kunde upptäcka nya elektroniska tillstånd av materia i dessa isolatorer. Resultaten av deras arbete publiceras i det senaste numret av Vetenskap .

Stegkanter leder elektroner

Det centrala resultatet:När kristallina material splittras, små atomiskt plana terrasser dyker upp vid de avspaltade ytorna som separeras från varandra med stegkanter. Inuti dessa strukturer, ledande kanaler för elektriska strömmar bildas som är extremt smala vid bara ca 10 nm och överraskande robusta mot yttre störningar. Elektroner färdas på dessa ledande kanaler med olika snurr i motsatta riktningar - liknande en motorväg med separata körfält för de två riktningarna. Denna effekt gör materialet intressant för tekniska tillämpningar i framtida elektroniska komponenter som ultrasnabba och energieffektiva datorer.

"TCI är relativt enkla att tillverka och de skiljer sig redan från konventionella material på grund av sin speciella kristallina struktur, "Dr Paolo Sessi förklarar bakgrunden till den nyligen publicerade uppsatsen. Sessi är forskare vid Institutionen för experimentell fysik II och huvudförfattare till studien. Dessutom har dessa material har sin speciella kvalitet tack vare sina elektroniska egenskaper:I topologiska material, rotationsriktningen bestämmer i vilken riktning elektronerna rör sig. Enkelt uttryckt, "snurren" kan tolkas som en magnetisk dipol som kan peka i två riktningar ("upp" och "ner"). Följaktligen, upp-snurr-elektroner i TCI:er rör sig i en och ned-spinn-elektroner i den andra riktningen.

Det handlar om antalet atomlager

"Men tidigare visste forskare inte hur de skulle producera de ledande kanaler som krävs för detta ändamål, säger professor Matthias Bode, Avdelningschef för experimentell fysik II och medförfattare till studien. Det var en slump som nu fick forskarna på rätt spår:De upptäckte att mycket smala ledande kanaler förekommer naturligt vid splittring av blytenn selenid (PbSnSe), en kristallin isolator.

Stegkanter på fragmentens ytor orsakar detta fenomen. De kan avbildas med hjälp av en högupplöst skanningstunnelmikroskopi, eller närmare bestämt, höjden på motsvarande stegkanter. "Kanter som överbryggar ett jämnt antal atomlager är totalt oansenliga. Men om kanterna sträcker sig över ett udda antal atomlager, ett litet område ca 10 nm i bredd skapas som har de elektroniska ledande kanalegenskaperna vi letade efter, "Förklarar Sessi.

Mönstret bryts av vid kanten

Med stöd av sina kollegor från Institutionen för teoretisk fysik I och universitetet i Zürich, de experimentella fysikerna kunde belysa ursprunget till dessa nya elektroniska tillstånd. För att förstå principen, lite rymdkänsla krävs:

"Den kristallina strukturen orsakar en layout av atomerna där de olika elementen växlar som de svarta och vita rutorna på ett schackbräde, "Förklarar Matthias Bode. Detta omväxlande svartvita mönster gäller både rutor som ligger intill och rutor som ligger under och ovanpå varandra.

Så om sprickan i denna kristall löper genom olika atomlager, mer än en kant skapas där. Sett uppifrån, vita rutor kan också anligga till andra vita rutor längs denna kant och svarta rutor till andra svarta rutor - eller identiska atomer till identiska atomer. Dock, detta fungerar bara om ett udda antal atomlager är ansvariga för skillnaden i höjd på de två ytorna.

Uppbackad av beräkningar

"Beräkningar visar att denna förskjutning på ytan faktiskt orsakar dessa nya elektroniska tillstånd, "säger Paolo Sessi. Dessutom, de bevisar att fenomenet de snurrberoende ledande kanalerna, som är karakteristiskt för topologiska material, förekommer också här.

Enligt forskarna, denna egenskap gör särskilt upptäckten relevant för potentiella applikationer, eftersom sådana ledande kanaler orsakar låg ledningsförlust å ena sidan och kan användas direkt för att överföra och behandla information inom spintronikområdet å andra sidan.

Dock, flera frågor måste besvaras och utmaningar som måste övervinnas innan detta blir verklighet. Till exempel, forskarna är ännu inte säkra på vilka avstånd strömmarna i de nyupptäckta ledande kanalerna kan transporteras. Också, för att kunna implementeras i kretsar, metoder måste utvecklas som gör det möjligt att skapa stegkanter med en definierad höjd längs specificerade riktningar.