Topologiska isolatorer, en materialklass som har undersökts i drygt ett decennium, har känts som ett nytt "undermaterial", liksom grafen. Men hittills, topologiska isolatorer har inte riktigt levt upp till de förväntningar som teoretiska studier ger. Fysiker vid University of Groningen har nu en uppfattning om varför. Deras analys publicerades den 27 juli i tidningen Fysisk granskning B .

Topologiska isolatorer är material som isolerar i bulk men tillåter laddning att flöda över ytan. Dessa ledande tillstånd vid ytan härrör från ordningsmönster i de tillstånd där elektroner bor som skiljer sig från vanliga material. Denna ordning är kopplad till det fysiska begreppet "topologi", analog med den som används i matematik. Den här egenskapen ger upphov till mycket robusta stater med några speciella egenskaper.

Tunga atomer

För en, deras snurr - en magnetisk egenskap hos elektroner som kan ha värdena uppåt eller nedåt - är låst för deras rörelse. "Det betyder att elektroner som rör sig till höger har snurrat ner, och de som rör sig till vänster har snurrat upp ", förklarar första författare till studien Eric de Vries, Doktorand i forskargruppen "Spintronics of Functional Materials" ledd av sin handledare prof. Dr. Tamalika Banerjee. Denna grupp är en del av Zernike Institute for Advanced Materials. "Men det betyder också att när du injicerar elektroner med spinn upp i en sådan topologisk isolator, de kommer att resa till vänster! "Topologiska isolatorer kan därför vara mycket användbara vid förverkligandet av spintronics:elektronik baserad på det kvantiserade centrifugeringsvärdet snarare än laddningen av elektroner.

Topologiska isolatorers speciella egenskaper förutses av den teoretiska analysen av ytmaterialen hos dessa material, tillverkad av kristaller av tunga atomer. Men experiment visar blandade resultat, som inte riktigt lever upp till de teoretiska förutsägelserna. "Vi undrade varför, så vi utarbetade experiment för att undersöka beteendet hos yttillståndselektronerna. Specifikt, vi ville se om transporten verkligen är begränsad till ytan, eller om det också finns i huvuddelen av materialet. "

Förvånande

Tidigare experiment av gruppen, där de använde ferromagneter för att detektera snurr av elektroner som genereras i den topologiska isolatorn, var förvånande, säger De Vries. "Vi visade att en spänning som förmodligen härrör från spinndetektering kan härröra från andra faktorer än låsning av elektronspinn till dess rörelse. Med hjälp av olika geometrier, vi visade att artefakter relaterade till avlägsna magnetfält som genereras av ferromagneterna kan efterlikna liknande spinnspänningar. "Denna observation kan leda till en omvärdering av några publicerade resultat.

Den här gången, de använde ett annat tillvägagångssätt. "Vi analyserade de topologiska isolatorerna med hjälp av starka magnetfält. Detta får elektroner att pendla i transportkanaler." De Vries gick till National High Field Magnet Laboratory vid Radboud University Nijmegen, där en 33-Tesla-magnet finns tillgänglig, en av de starkare magneterna i världen. "Andra har gjort liknande tester med svagare magneter, men dessa är inte tillräckligt känsliga för att avslöja de ytterligare transportkanaler som sameksisterar med yttillstånden. "De Vries experiment visade att en betydande del av laddtransporten skedde i materialets bulkfas, och inte bara på ytan.

Transportkanaler

Anledningen för det här, förklarar De Vries, är den topologiska isolatorns ofullkomliga kristallstruktur. "Ibland saknas atomer i kristallstrukturen. Detta resulterar i fritt rörliga elektroner. Dessa börjar leda som nya transportkanaler, generera elektrisk ström i huvuddelen av materialet. "

Så varför har ingen noterat detta tidigare? De Vries betonar att det kan vara svårt att tolka transportmätningar som görs på topologiska isolatorer. "Vi upplevde detta i våra tidigare experiment. Vårt budskap är att extrem noggrannhet krävs vid tolkningen av experimentella observationer för enheter baserade på dessa material." Också, experiment som kan leda till tydligare slutsatser kräver mycket höga magnetfält i specialiserade laboratorier.

Glitches

Resultaten pekar på ett sätt att förbättra topologiska isolatorer. "Nyckeln är att odla kristallerna utan att det saknas atomer. En annan lösning är att fylla hålen, till exempel med kalciumjoner som binder de fria elektronerna. Men det kan orsaka andra störningar i elektronernas rörlighet. "I tio år har topologiska isolatorer var alla ilska. De jämfördes med undermaterialet grafen. Upptäckten att, i praktiken, topologiska isolatorer har fel som fungerar som en verklighetskontroll. De Vries:"Vi måste studera och förstå samspelet mellan yttillstånden och massmaterialet mycket mer detaljerat."