Topologiska isolatorer är innovativa material som leder elektricitet på ytan, men fungera som isolatorer på insidan. Fysiker vid universitetet i Basel och Istanbuls tekniska universitet har börjat undersöka hur de reagerar på friktion. Deras experiment visar att värmen som genereras genom friktion är betydligt lägre än i konventionella material. Detta beror på en ny kvantmekanism, forskarna rapporterar i den vetenskapliga tidskriften Naturmaterial .

Tack vare deras unika elektriska egenskaper, topologiska isolatorer lovar många innovationer inom elektronik- och datorindustrin, liksom i utvecklingen av kvantdatorer. Det tunna ytskiktet kan leda elektricitet nästan utan motstånd, vilket resulterar i mindre värme än traditionella material. Detta gör dem särskilt intressanta för elektroniska komponenter.

Vidare, i topologiska isolatorer, den elektroniska friktionen - dvs. den elektronmedierade omvandlingen av elektrisk energi till värme-kan reduceras och kontrolleras. Forskare vid universitetet i Basel, Swiss Nanoscience Institute (SNI) och Istanbuls tekniska universitet har nu kunnat experimentellt verifiera och demonstrera exakt hur övergången från energi till värme genom friktion beter sig - en process som kallas dissipation.

Mätning av friktion med en pendel

Teamet som leds av professor Ernst Meyer vid Institutionen för fysik vid universitetet i Basel undersökte effekterna av friktion på ytan av en topologisk isolator av vismut -tellurid. Forskarna använde ett atomkraftmikroskop i pendelmodus. Här, den ledande mikroskopspetsen av guld oscillerar fram och tillbaka precis ovanför den topologiska isolatorns tvådimensionella yta. När en spänning appliceras på mikroskopspetsen, pendelns rörelse inducerar en liten elektrisk ström på ytan.

I konventionella material, en del av denna elektriska energi omvandlas till värme genom friktion. Resultatet på den ledande ytan på den topologiska isolatorn ser väldigt annorlunda ut:energiförlusten genom omvandling till värme reduceras avsevärt.

"Våra mätningar visar tydligt att vid vissa spänningar finns det praktiskt taget ingen värmeproduktion orsakad av elektronisk friktion, "förklarar Dr Dilek Yildiz, som utförde detta arbete inom SNI Ph.D. Skola.

En ny mekanism

Forskarna kunde också för första gången observera en ny kvantmekanisk spridningsmekanism som endast uppstår vid vissa spänningar. Under dessa omständigheter, elektronerna migrerar från spetsen genom ett mellanliggande tillstånd in i materialet - liknande tunneleffekten vid skanning av tunnelmikroskop. Genom att reglera spänningen, forskarna kunde påverka spridningen. "Dessa mätningar bekräftar den stora potentialen hos topologiska isolatorer, eftersom elektronisk friktion kan styras på ett målinriktat sätt, "tillägger Meyer.