Under 2005, kondenserade fysiker Charles Kane och Eugene Mele betraktade grafens öde vid låga temperaturer. Deras arbete ledde till upptäckten av ett nytt materiellt tillstånd kallat en "topologisk isolator, "som skulle inleda en ny era av materialvetenskap.

"En topologisk isolator är ett material som är en isolator i dess inre men är mycket ledande på sin yta, "sa UC Santa Barbara assisterande fysikprofessor Andrea Young. I två dimensioner, en idealisk topologisk isolator skulle ha "ballistisk" konduktans vid sina kanter, Young förklarade, vilket betyder att elektroner som reser genom regionen skulle möta nollmotstånd.

Ironiskt, medan Kane och Meles arbete skulle leda till upptäckten av topologiskt isolerande beteende i en mängd olika material, deras ursprungliga förutsägelse - om en topologisk isolator i grafen - har förblivit orealiserad.

Kärnan i besväret är koppling av spinn-omloppsbana-en svag effekt där elektronens snurrverkan interagerar med dess orbitalrörelse för att köra kärnan. Kritisk mot alla topologiska isolatorer, spin-orbit-koppling är exceptionellt svag i grafen, så att varje topologiskt isolerande beteende drunknar av andra effekter som härrör från ytan på vilken grafen stöds.

"Den svaga spin-orbit-kopplingen i grafen är mycket synd, "sa postdoktoral forskare Joshua Island, för i praktiken har saker och ting inte riktigt fungerat så bra för topologiska isolatorer i två dimensioner. "De tvådimensionella topologiska isolatorerna som hittills är kända är störda och inte särskilt lätta att arbeta med, "Sade ön. Konduktansen vid kanterna tenderar att minska snabbt med avståndet elektronerna färdas, tyder på att det är långt ifrån ballistiskt. Realisera en topologisk isolator i grafen, ett annars mycket perfekt tvådimensionellt material, kan utgöra en grund för ballistiska elektriska kretsar med låg avledning eller bilda materialsubstratet för topologiskt skyddade kvantbitar.

Nu, i arbete publicerat i tidskriften Natur , Ö, Young och deras medarbetare har hittat ett sätt att göra grafen till en topologisk isolator (TI). "Målet med projektet var att öka eller förbättra spin-orbit-kopplingen i grafen, "sa huvudförfattaren Island, tillägger att försök har gjorts under åren med begränsad framgång. "Ett sätt att göra detta är att placera ett material som har en mycket stor snurrbana-koppling i närheten av grafen. Förhoppningen var att genom att göra dina grafenelektroner kommer att ta på sig den egenskapen hos det underliggande materialet, " han förklarade.

Valfritt material? Efter att ha studerat flera möjligheter, forskarna bestämde sig för en övergångsmetalldikalkogenid (TMD), bestående av övergångsmetallvolfram och kalcogenselen. Liknar grafen, volfram diselenid finns i tvådimensionella monoskikt, bundna av van der Waals styrkor, som är relativt svaga och avståndsberoende interaktioner mellan atomer eller molekyler. Till skillnad från grafen, dock, de tyngre atomerna i TMD leder till starkare spin-orbit-koppling. Den resulterande enhetsfunktionens grafens ballistiska elektronkonduktans genomsyras av den starka spinn-omloppskopplingen från det närliggande TMD-lagret.

"Vi såg en mycket tydlig förbättring av den spin-orbit-kopplingen, "Sa ön.

"Genom att lägga till spin-orbit-koppling av precis rätt typ, Joshua kunde upptäcka att detta faktiskt leder till en ny fas som nästan är topologiskt isolerande, "Sa Young. I den ursprungliga idén, han förklarade, den topologiska isolatorn bestod av ett monoskikt av grafen med en stark spin-orbit-koppling.

"Vi var tvungna att använda ett trick som endast finns tillgängligt i grafenflerlager för att skapa rätt typ av snurr-omloppskoppling, "Young förklarade om sitt experiment, som använde ett grafenbislag. "Och så får du något som approximerar två topologiska isolatorer staplade ovanpå varandra." Funktionellt, dock, Öns enhet fungerar lika bra som andra kända 2-D topologiska isolatorer-de allra viktigaste kanttillstånden sprider sig i åtminstone flera mikron, mycket längre än i andra kända TI -material.

Vidare, enligt Young, detta arbete är ett steg närmare att bygga en verklig topologisk isolator med grafen. "Teoretiskt arbete har sedan visat att ett grafen -skikt, tillverkad på samma sätt, skulle leda till en sann topologisk isolator. "

Viktigast, enheterna som Island och Young realiserar kan enkelt ställas in mellan en topologisk isoleringsfas och en vanlig isolator, som inte har ledande kanttillstånd.

"Du kan dirigera dessa perfekta ledare var du vill, " han sa, "Och det är något som ingen har kunnat göra med andra material."