Under det senaste decenniet har forskare har sökt topologiska isolatorer, material som är isolerande på insidan men leder ström på sina ytor. Även om det först förutspåddes runt 2005, mycket få verkliga exempel har hittats hittills. Topologiska isolatorer förväntas ha omfattande tillämpningar, inklusive energieffektiv elektronik och kvantberäkning-deras speciella egenskaper gör att ytströmmen kan flöda fritt även i närvaro av defekter eller störningar.

Tills nu, forskare har letat efter topologiska isolatorer bland kristaller eller andra material vars atomer är ordnade på ett vanligt sätt. En ny studie, dock, förutspår att topologiska isolatorer också kan hittas bland amorfa material, som vissa former av glas, där atomer är slumpmässigt arrangerade.

Förutsägelsen, baserat på datormodeller, öppnar nya vägar i jakten på dessa material. "Nu finns det många fler möjligheter att hitta topologiska isolatorer, "säger seniorförfattaren Vijay Shenoy från Indian Institute of Science (IISc). Amorfa topologiska isolatorer kan också vara lättare att göra än kristallina, som kräver stränga kontroller, han föreslår. Shenoy och doktoranden Adhip Agarwala genomförde studien publicerad i Fysiska granskningsbrev .

Topologiska isolatorer är skyldiga deras överlägsna förmågor till närvaron av speciella energitillstånd på deras ytor. För att ström ska flyta i ett material, elektroner måste hoppa från valensbandets energiläge till ett högre tillstånd som kallas ledningsbandet. Om gapet mellan banden är mycket stort, som finns i vanliga isolatorer, elektroner kan inte hoppa och strömmen flyter inte. På insidan, topologiska isolatorer har ett stort bandgap och leder inte ström. På deras yta, dock, elektroner upptar vissa "mellangap" -tillstånd mellan valens- och ledningsbanden, vilket gör att de kan bära ström.

När dessa material först förutspåddes, teorin var baserad på antagandet att materialstrukturen måste vara kristallin, säger Shenoy. "Efter lite petande, vi fann att detta inte är ett avgörande antagande. Det är inte en nödvändig förutsättning för att du ska få en topologisk fas, " han säger.

Shenoy och Agarwala använde datormodeller för att "konstruera" 2-D och 3-D strukturer där platser är ordnade slumpmässigt och elektroner kan hoppa mellan dem. Sedan justerade de vissa parametrar som avstånd mellan platser och avstånd mellan energiband. Under vissa förutsättningar, de fann att materialen visade tillstånd i mellanrummet på ytan och andra matematiska signaturer som hittades i topologiska isolatorer, trots deras slumpmässiga struktur.

"Folk har bara tittat på kristallina material. Och de har inte hittat särskilt bra topologiska isolatorer, "säger Agarwala." Även teoretiskt sett, människor kan nu titta på många, många ämnen, inte bara amorfa material. Vi har visat för "värsta scenariot" där strukturen är helt slumpmässig. Vi kan tänka på många fler material mellan kristallint och amorft, och fråga om topologiska isolatorer kan existera. "

Forskare kan också titta på andra sätt att göra topologiska isolatorer, författarna föreslår. En möjlighet, till exempel, är att slumpmässigt lägga till atomer med lämpliga energinivåer på ytan av en befintlig isolator för att ge upphov till topologiska tillstånd.

Topologiska isolatorer har speciella egenskaper som gör dem attraktiva för elektronik. Till exempel, den riktning i vilken ytelektronerna snurrar är låst i den riktning de rör sig i. Denna låsning förhindrar att defekter eller föroreningar ändrar elektronens snurr och därför slår den från dess väg, vilket minimerar strömförlusten.

"Ett av de aktiva områdena inom kondensmaterialets fysik och materialvetenskap är att hitta sådana material, "säger Shenoy." Om den hittas, det kommer att bli en viktig upptäckt och kan driva nästa elektronikomgång. "