Ett internationellt team av forskare, arbetar vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley, tillverkade ett atomärt tunt material och mätte dess exotiska och hållbara egenskaper som gör det till en lovande kandidat för en spirande gren av elektronik som kallas "spintronics".

Materialet - känt som 1T'-WTe2 - överbryggar två blomstrande forskningsfält:det för så kallade 2-D-material, som inkluderar monolagermaterial som grafen som beter sig på andra sätt än deras tjockare former; och topologiska material, där elektroner kan snurra runt på förutsägbara sätt nästan utan motstånd och oavsett defekter som vanligtvis skulle hindra deras rörelse.

Vid kanterna av detta material, elektronernas spinn - en partikelegenskap som fungerar lite som en kompassnål som pekar antingen mot norr eller söder - och deras rörelsemängd är nära knuten och förutsägbar.

Detta senaste experimentella bevis kan höja materialets användning som testämne för nästa generations applikationer, till exempel en ny sort av elektroniska enheter som manipulerar dess spin-egenskap för att bära och lagra data mer effektivt än dagens enheter. Dessa egenskaper är grundläggande för spintronics.

Materialet kallas en topologisk isolator eftersom dess inre yta inte leder elektricitet, och dess elektriska ledningsförmåga (elektronflödet) är begränsad till dess kanter.

"Detta material borde vara mycket användbart för studier av spintronik, " sa Sung-Kwan Mo, en fysiker och forskare vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) som ledde studien, publiceras idag i Naturfysik .

"Flödet av elektroner är helt kopplat till riktningen för deras snurr, och begränsas endast till materialets kanter, " sade Mo. "Elektronerna kommer att färdas i en riktning, och med en typ av snurr, vilket är en användbar egenskap för spintronics-enheter." Sådana enheter skulle kunna tänkas överföra data mer flytande, med mindre effektbehov och värmeuppbyggnad än vad som är typiskt för dagens elektroniska apparater.

"Vi är glada över det faktum att vi har hittat en annan familj av material där vi både kan utforska fysiken hos 2-D topologiska isolatorer och göra experiment som kan leda till framtida tillämpningar, " sa Zhi-Xun Shen, en professor i fysikaliska vetenskaper vid Stanford University och rådgivare för vetenskap och teknik vid SLAC National Accelerator Laboratory som också var med och ledde forskningssatsningen. "Denna allmänna klass av material är känd för att vara robust och hålla sig bra under olika experimentella förhållanden, och dessa egenskaper bör göra det möjligt för området att utvecklas snabbare, " han lade till.

Materialet tillverkades och studerades vid ALS, en röntgenforskningsanläggning känd som en synkrotron. Shujie Tang, en gästande postdoktor vid Berkeley Lab och Stanford University, och en medförfattare i studien, var avgörande för att odla 3-atoms tjocka kristallina prover av materialet i en mycket renad, vakuumförseglat fack vid ALS, med hjälp av en process som kallas molekylär strålepitaxi.

Proverna med hög renhet studerades sedan vid ALS med en teknik som kallas ARPES (eller vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi), som ger en kraftfull sond av materialens elektronegenskaper.

"Efter att vi förfinat tillväxtreceptet, vi mätte det med ARPES. Vi kände omedelbart igen den karakteristiska elektroniska strukturen hos en 2-D topologisk isolator, "Tang sa, baserat på teorier och förutsägelser. "Vi var de första att utföra den här typen av mätningar på det här materialet."

Men eftersom den ledande delen av detta material, vid dess yttersta kant, uppmätt endast några nanometer tunn - tusentals gånger tunnare än röntgenstrålens fokus - var det svårt att positivt identifiera alla materialets elektroniska egenskaper.

Så medarbetare vid UC Berkeley utförde ytterligare mätningar i atomär skala med en teknik som kallas STM, eller scanning tunnelmikroskopi. "STM mätte dess kanttillstånd direkt, så det var ett väldigt viktigt bidrag, " sa Tang.

Forskningsinsatsen, som började 2015, involverade mer än två dussin forskare inom en mängd olika discipliner. Forskargruppen gynnades också av beräkningsarbete vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

Tvådimensionella material har unika elektroniska egenskaper som anses vara nyckeln till att anpassa dem för spintronikapplikationer, och det finns en mycket aktiv världsomspännande FoU-insats fokuserad på att skräddarsy dessa material för specifika användningar genom att selektivt stapla olika typer.

"Forskare försöker lägga dem ovanpå varandra för att justera materialet som de vill - som legoklossar, " sa Mo. "Nu när vi har experimentella bevis på detta materials egenskaper, vi vill stapla det med andra material för att se hur dessa egenskaper förändras."

Ett typiskt problem med att skapa sådana designermaterial från atomärt tunna lager är att material vanligtvis har nanoskaliga defekter som kan vara svåra att eliminera och som kan påverka deras prestanda. Men eftersom 1T'-WTe2 är en topologisk isolator, dess elektroniska egenskaper är av naturen motståndskraftiga.

"På nanoskala kanske det inte är en perfekt kristall, " sade Mo, "men det fina med topologiska material är att även när du har mindre än perfekta kristaller, kantstaterna överlever. Ofullkomligheterna bryter inte de viktigaste egenskaperna."

Går framåt, forskare strävar efter att utveckla större prover av materialet och att upptäcka hur man selektivt kan justera och accentuera specifika egenskaper. Förutom dess topologiska egenskaper, dess "systermaterial, "som har liknande egenskaper och som också studerades av forskargruppen, är kända för att vara ljuskänsliga och har användbara egenskaper för solceller och för optoelektronik, som styr ljus för användning i elektroniska apparater.