En transistor baserad på 2-D-materialet volfram ditellurid (WTe ₂ ) inklämd mellan bornitrid kan växla mellan två olika elektroniska tillstånd - ett som endast leder ström längs kanterna, gör det till en topologisk isolator, och en som leder ström utan motstånd, vilket gör den till en superledare - forskare vid MIT och kollegor från fyra andra institutioner har visat.

Med hjälp av fyrsondsmätningar, en vanlig kvantelektronisk transportteknik för att mäta materialens elektroniska beteende, forskarna ritade den nuvarande bärförmågan och motståndsegenskaperna hos den tvådimensionella volframditelluridtransistorn och bekräftade sina fynd över en rad applicerade spänningar och externa magnetfält vid extremt låga temperaturer.

"Detta är första gången som exakt samma material kan ställas in antingen på en topologisk isolator eller på en superledare, "säger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik vid MIT. "Vi kan göra detta med vanlig elektrisk fälteffekt med hjälp av vanliga, standard dielektrik, så i princip samma typ av teknik som du använder i standard halvledarelektronik. "

Ny materialklass

"Detta är den första i en ny klass av material - topologiska isolatorer som kan ställas in elektriskt i supraledare - vilket öppnar många möjligheter som innan det fanns betydande hinder att inse, "Säger Jarillo-Herrero." Att ha ett material där du kan göra detta sömlöst inom samma material för att övergå mellan denna topologiska isolator och superledare är något som potentiellt är mycket attraktivt. "

Volfram ditellurid, som är ett av övergångsmetalldikalkogenidmaterialen, klassificeras som en halvmetall och leder elektricitet som metaller i bulkform. De nya fynden specificerar att i en kristallform i ett lager, vid temperaturer från mindre än 1 kelvin till intervall för flytande kväve (-320,4 grader Fahrenheit), volfram ditellurid är värd för tre olika faser:topologiskt isolerande, supraledande, och metalliskt. En applicerad spänning driver övergången mellan dessa faser, som varierar med temperatur och elektronkoncentration. I supraledande material, elektroner flödar utan att motstånd genererar värme.

De nya resultaten har publicerats online i tidskriften Vetenskap . Valla Fatemi Ph.D. '18, som nu är postdoc på Yale, och postdoc Sanfeng Wu, som är Pappalardo -stipendiat på MIT, är förste författare till tidningen med seniorförfattaren Jarillo-Herrero. Medförfattarna är MIT-doktorand Yuan Cao; Landry Bretheau Ph.D. '18 av École Polytechnique i Frankrike; Quinn D. Gibson från University of Liverpool i Storbritannien; Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Materials Science i Japan; och Robert J. Cava, professor i kemi vid Princeton University.

Som en kvanttråd

Det nya arbetet bygger på en rapport tidigare i år av forskarna som demonstrerar quantum spin Hall -effekten (QSH), vilket är signaturfysikfenomenet som ligger bakom tvådimensionella topologiska isolatorer, i samma enda lager volfram ditelluridmaterial. Denna kantström styrs av elektronernas snurr snarare än av deras laddning, och elektroner med motsatt snurr rör sig i motsatta riktningar. Denna topologiska egenskap finns alltid i materialet vid kalla temperaturer.

Denna kvantspinn Hall-effekt kvarstod upp till en temperatur på cirka 100 kelvin (-279,67 grader F). "Så det är den högsta temperatur 2-D topologiska isolatorn hittills, "säger postdoc Sanfeng Wu, som också var en författare till den tidigare artikeln. "Det är mycket viktigt för ett intressant kvanttillstånd som detta att överleva vid höga temperaturer för användning för applikationer."

Detta beteende, där kanterna på volfram ditelluridmaterial fungerar som en kvanttråd, förutspåddes 2014 i en teoretisk uppsats av docent i fysik Liang Fu och Ju Li, professor i kärnvetenskap och teknik och materialvetenskap och teknik. Material med dessa egenskaper söks för spintronic- och kvantberäkningsenheter.

Även om det topologiska isoleringsfenomenet observerades vid upp till 100 kelvin, supraledande beteende i det nya arbetet inträffade vid en mycket lägre temperatur på cirka 1K.

Detta material har fördelen att det går in i det superledande tillståndet med en av de lägsta densiteterna av elektroner för någon 2-D-superledare. "Det betyder att den lilla bärartätheten som behövs för att göra den till en superledare är en som du kan inducera med normal dielektrik, med vanlig dielektrik, och använder ett litet elektriskt fält, "Förklarar Jarillo-Herrero.

Att ta itu med resultaten av topologiskt isolerande beteende i 2-D volfram tellurid i den första uppsatsen, och resultaten av supraledning i den andra, Wu säger, "Det här är tvillingpapper, var och en av dem är vacker och tillsammans kan deras kombination vara mycket kraftfull. "Wu föreslår att fynden pekar väg för undersökning av 2-D topologiska material och kan leda vägen till en ny materialbas för topologiska kvantdatorer.

Wolframditelluridkristallerna odlades vid Princeton University, medan bornitridkristallerna odlades vid National Institute for Materials Science i Japan. MIT -teamet byggde experimentella enheter, utförde de elektroniska transportmätningarna vid extremt kalla temperaturer, och analyserade uppgifterna vid institutet.

Samtidig upptäckt

Jarillo-Herrero noterar att denna upptäckt att enskikts volframditellurid kan ställas in i en superledare med hjälp av standard halvledarnanofabricering och elektriska fälteffekttekniker samtidigt realiserades av en konkurrerande grupp samarbetspartners, inklusive professor David Cobden vid University of Washington och docent Joshua Folk vid University of British Columbia. (Deras artikel-"Portinducerad supraledning i en topologisk isolator i ett skikt"-publiceras samtidigt online i Vetenskap Första utgåvan.)

"Det gjordes oberoende i båda grupperna, men vi båda gjorde samma upptäckt, "Säger Jarillo-Herrero." Det är det bästa som kan hända att din stora upptäckt genast återges. Det ger extra förtroende för samhället att detta är något som är väldigt verkligt. "

Jarillo-Herrero valdes till kollega i American Physical Society tidigare i år baserat på hans viktiga bidrag till kvantelektronisk transport och optoelektronik i tvådimensionella material och enheter.

Steg mot kvantberäkning

Ett särskilt område där denna nya förmåga kan vara användbar är förverkligandet av Majorana -lägen vid gränssnittet mellan topologiskt isolerande och supraledande material. Först förutspåddes av fysiker 1937, Majorana fermioner kan ses som elektroner delade i två delar, var och en uppför sig som en oberoende partikel. Dessa fermioner har ännu inte hittats som elementära partiklar i naturen men kan dyka upp i vissa supraledande material nära absolut noll temperatur.

"Det är intressant i sig själv ur en grundläggande fysikalisk synvinkel, och dessutom, det har utsikter att vara av intresse för topologisk kvantberäkning, som är en speciell typ av kvantberäkning, "Säger Jarillo-Herrero.

Det unika med Majorana -lägen ligger i deras exotiska beteende när man byter position, en operation som fysiker kallar "flätning" eftersom de tidsberoende spåren efter dessa bytande partiklar ser ut som en fläta. Flätningsoperationerna kan inte ändra kvanttillstånden för vanliga partiklar som elektroner eller fotoner, men flätning av Majorana -partiklar förändrar deras kvanttillstånd fullständigt. Denna ovanliga egendom, kallad "icke-abelsk statistik, "är nyckeln till att förverkliga topologiska kvantdatorer. Ett magnetiskt gap krävs också för att fästa Majorana -läget på en plats.

"Det här arbetet är ganska vackert, säger Jason Alicea, professor i teoretisk fysik vid Caltech, som inte var inblandad i denna forskning. "De grundläggande ingredienserna som är nödvändiga för att konstruera Majorana -lägen - supraledning och gapande av kanttillstånd genom magnetism - har nu visats separat i WTe2."

"Dessutom, observation av inneboende supraledning genom gating är potentiellt en stor välsignelse för avancerade tillämpningar av Majorana -lägen, t.ex., fläta för att demonstrera icke-abelsk statistik. För detta ändamål, man kan tänka sig att designa komplex, dynamiskt avstämbara nätverk av supraledande kvant-spin-Hall-kanttillstånd med elektrostatiska medel. "säger Alicea." Möjligheterna är mycket spännande. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.