I elektronikens värld, där jakten alltid är efter mindre och snabbare enheter med oändlig batteritid, topologiska isolatorer (TI) har lockande potential.

I en tidning som ska publiceras i Vetenskapens framsteg i juni, Jing Shi, professor i fysik och astronomi vid University of California, Riverside, och kollegor vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) och Arizona State University rapporterar att de har skapat en TI-film bara 25 atomer tjock som fäster på en isolerande magnetisk film, skapa en "heterostruktur". Denna heterostruktur gör TI-ytor magnetiska vid rumstemperatur och högre, till över 400 Kelvin eller mer än 720 grader Fahrenheit.

Ytorna på TI är bara några få atomer tjocka och behöver lite kraft för att leda elektricitet. Om TI-ytor görs magnetiska, ström flyter bara längs kanterna på enheterna, kräver ännu mindre energi. Tack vare denna så kallade kvantanomala Hall-effekt, eller QAHE, en TI-enhet kan vara liten och dess batterier håller länge, sa Shi.

Ingenjörer älskar QAHE eftersom det gör enheter mycket robusta, det är, rejäl nog att stå upp mot defekter eller fel, så att en felaktig applikation, till exempel, kraschar inte ett helt operativsystem.

Topologiska isolatorer är de enda materialen just nu som kan uppnå den eftertraktade QAHE, men först efter att de har magnetiserats, och däri ligger problemet:TI-ytor är inte naturligt magnetiska.

Forskare har kunnat uppnå magnetism i TI genom dopning, d.v.s. införa magnetiska föroreningar i materialet, vilket också gjorde det mindre stabilt, sa Shi. Dopningen gjorde det möjligt för TI-ytor att demonstrera QAHE, men bara vid extremt låga temperaturer - några hundradelar av en grad i Kelvin över absoluta nollpunkten, eller cirka 459 grader under noll Fahrenheit—inte direkt gynnsam för bred populär användning.

Många forskare anklagade dopningen för att QAHE bara inträffade vid mycket låga temperaturer, Shi sa, vilket fick forskare att börja leta efter en annan teknik för att göra TI-ytor magnetiska.

Gå in i UCR:s SHINES (Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems) labb, ett Department of Energy-finansierat energifrontierforskningscenter vid UCR som Shi leder och är fokuserat på att utveckla filmer, kompositer och andra sätt att skörda eller använda energi mer effektivt från nano (tänk riktigt små, som i molekylär eller atomstor) teknologi.

2015, Shis labb skapade först heterostrukturer av magnetiska filmer och enatoms tjocka grafenmaterial genom att använda en teknik som kallas lasermolekylär strålepitaxi. Samma atomiskt platta magnetiska isolatorfilmer är kritiska för både grafen och topologiska isolatorer.

"Materialen måste vara i intim kontakt för att TI ska få magnetism, " sa Shi. "Om ytan är grov, det blir ingen bra kontakt. Vi är bra på att göra den här magnetiska filmen atomärt platt, så inga extra atomer sticker ut."

UCR:s labb skickade sedan materialet till sina medarbetare vid MIT, som använde molekylär strålepitaxi för att bygga 25 atomära TI-lager ovanpå magnetplåtarna, skapa heterostrukturer, som sedan skickades tillbaka till UCR för enhetstillverkning och mätningar.

Mer forskning behövs för att få TI att visa den kvantanomala Hall-effekten (QAHE) vid höga temperaturer, och sedan göra materialet tillgängligt för miniatyrisering inom elektronik, Shi sa, men SHINES-labbets fynd visar att genom att använda heterostrukturmetoden, TI-ytor kan göras magnetiska – och robusta – vid normala temperaturer.

Att göra mindre, snabbare enheter fungerar på samma eller högre effektivitetsnivåer som deras större, långsammare föregångare "händer inte naturligt, "Shi sa. "Ingenjörer arbetar hårt för att få alla enheter att fungera på samma sätt och det krävs mycket ingenjörskonst för att komma dit."