Det är ultratunt, elektriskt ledande vid kanten och mycket isolerande inuti - och allt det där vid rumstemperatur:Fysiker från universitetet i Würzburg har utvecklat ett lovande nytt material.

Materialklassen av topologiska isolatorer är för närvarande i fokus för internationell fastämnesforskning. Dessa material är elektriskt isolerande inuti, eftersom elektronerna upprätthåller starka bindningar till atomerna. På deras ytor, dock, de är ledande på grund av kvanteffekter.

Dessutom, elektronens rotationsorientering kan överföra information mycket effektivt. Den är skyddad mot spridning när den rör sig genom dessa ytkanaler. Med dessa egenskaper, topologiska isolatorer skulle kunna förverkliga en gammal dröm-direkt spinnbaserad databehandling, eller så kallad spintronics.

Tidigare koncept fungerar bara i kylskåpet

Tills nu, dock, Det har funnits ett stort hinder för att använda sådana ytkanaler för tekniska tillämpningar:"När temperaturen på en topologisk isolator ökar, alla kvanteffekter tvättas bort och med dem, de speciella egenskaperna hos de elektriskt ledande kanterna, "Dr Jörg Schäfer förklarar; han är en privat föreläsare vid ordföranden för experimentell fysik 4 vid universitetet i Würzburg.

Av denna anledning, alla kända topologiska isolatorer måste kylas till mycket låga temperaturer - vanligtvis ner till minus 270 grader Celsius - för att kunna studera kantkanalernas kvantegenskaper. "Självklart, sådana förhållanden är inte särskilt praktiska för potentiella applikationer som ultrasnabb elektronik eller kvantdatorer, säger fysikern.

Ett team av Würzburg -fysiker har nu presenterat ett helt nytt koncept för att elegant kringgå detta problem. Forskarna har publicerat sina resultat i det aktuella numret av Vetenskap .

Riktad materialdesign

Würzburg-genombrottet är baserat på en speciell kombination av material:en ultratunn film som består av ett enda lager av vismutatomer som avsatts på ett kiselkarbidsubstrat.

Vad gör denna kombination så speciell? "Den kristallina strukturen hos kiselkarbidsubstratet får vismutatomerna att anordnas i en bikakegeometri vid avsättning av vismutfilmen - mycket lik strukturen i" mirakelmaterialet "grafen, som består av kolatomer ", Professor Ralph Claessen förklarar. På grund av denna analogi, den viftande tunna filmen kallas "bismuten".

Men den har en avgörande skillnad jämfört med grafen:"Bismuten bildar en kemisk bindning till substratet, "Säger professor Ronny Thomale. Det spelar en central roll i det nya konceptet att förse materialet med de önskade elektroniska egenskaperna. Detta belyses av datorbaserad modellering:" Medan vanlig vismut är en elektriskt ledande metall, honungskaka -monoskiktet förblir en distinkt isolator, även vid rumstemperatur och långt över, "tillägger fysikern. För att skapa detta eftertraktade ursprungliga tillstånd artificiellt, de tunga vismutatomerna är genialt kombinerade med det lika isolerande kiselkarbidsubstratet.

Elektronmotorväg på kanten

De elektroniska ledningskanalerna spelar in vid kanten av en bit vismuten. Det är här de metalliska kantkanalerna är placerade, som ska användas för framtidens databehandling. Detta har inte bara teoretiskt kommit fram till Würzburgs forskargrupp, det har också bevisats i experiment med mikroskopiska tekniker.

För att utnyttja kantkanalerna för elektroniska komponenter, det är avgörande att det inte finns någon kortslutning genom insidan av det topologiska materialet eller genom substratet. "Tidigare topologiska isolatorer krävde extrem kylning för att säkerställa detta, "Förklarar Jörg Schäfer. Det nya bismuten-konceptet gör denna insats överflödig:Filmens och substratets distinkta isolerande beteende eliminerar störande kortslutningar.

Würzburg -forskarna tror att det är detta steg för att få materialet att fungera vid rumstemperatur, vilket kommer att göra upptäckten intressant för potentiella applikationer under realistiska förhållanden. "Sådana ledningskanaler skyddas topologiskt. Detta innebär att de kan användas för att överföra information praktiskt taget utan förlust, "Säger Ralph Claessen. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att överföra data med få elektronspinn. Därför, Würzburg -teamet förväntar sig stora framsteg för effektiv informationsteknik.