Fysiker vid universitetet i Zürich forskar om en ny klass av material:topologiska isolatorer av högre ordning. Kanterna på dessa kristallina fasta ämnen leder elektrisk ström utan avledning, medan resten av kristallen förblir isolerande. Detta kan vara användbart för applikationer inom halvledarteknik och för att bygga kvantdatorer.

Topologi undersöker egenskaperna hos föremål och fasta ämnen som är skyddade mot störningar och deformationer. Hittills kända material inkluderar topologiska isolatorer, som är kristaller som isolerar på insidan men leder elektrisk ström på sin yta. De ledande ytorna är topologiskt skyddade, vilket gör att de inte lätt kan föras till ett isolerande tillstånd.

Teoretiska fysiker vid universitetet i Zürich har nu förutspått en ny klass av topologiska isolatorer med ledande egenskaper på kanterna av kristaller snarare än på ytan. Forskargruppen, består av forskare från UZH, Princeton Universitet, Donostia International Physics Center och Max Planck Institute of Microstructure Physics i Halle, kallad den nya materialklassen "topologiska isolatorer av högre ordning". Den extraordinära robustheten hos de ledande kanterna gör dem särskilt intressanta:strömmen av topologiska elektroner kan inte stoppas av oordning eller föroreningar. Om en ofullkomlighet står i vägen för strömmen, det flyter helt enkelt runt föroreningen.

Dessutom, kristallkanterna behöver inte vara speciellt förberedda för att leda elektrisk ström. Om kristallen går sönder, de nya kanterna leder också automatiskt ström. "Den mest spännande aspekten är att elektricitet åtminstone i teorin kan ledas utan någon förlust, säger Titus Neupert, professor vid institutionen för fysik vid UZH. "Man skulle kunna tänka på kristallkanterna som en slags motorväg för elektroner. De kan inte bara göra en U-sväng." Denna egenskap av avledningslös konduktans, annars känt från supraledare vid låga temperaturer, delas inte med de tidigare kända topologiska isolatorkristallerna som har ledande ytor, men är specifik för de högre ordningens topologiska kristallerna.

Fysikernas studie bygger fortfarande mest på teoretiska aspekter. De har föreslagit tenntellurid som den första föreningen som visar dessa nya egenskaper. "Fler materialkandidater måste identifieras och undersökas i experiment, " säger Neupert. Forskarna hoppas att nanotrådar gjorda av topologiska isolatorer av högre ordning i framtiden kan användas som ledande banor i elektriska kretsar. De skulle kunna kombineras med magnetiska och supraledande material och användas för att bygga kvantdatorer.