Topologiska isolatorer är material med häpnadsväckande egenskaper:Elektrisk ström flyter endast längs deras ytor eller kanter, medan det inre av materialet beter sig som en isolator. Under 2007, Professor Laurens Molenkamp vid Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland, var den första som experimentellt demonstrerade existensen av sådana topologiska tillstånd. Hans team uppnådde detta viktiga arbete med kvantbrunnar baserade på kvicksilver och tellur (HgTe). Sedan dess, dessa nya material har varit hoppet om en i grunden ny generation av komponenter som, till exempel, lova innovationer för informationsteknologi.

Fysiker vid JMU har nu för första gången lyckats konstruera ett väsentligt element för sådana komponenter - en Quantum Point Contact (QPC). De presenterar denna prestation i en nyligen publicerad publikation i tidskriften Naturfysik .

Inspärrning för topologiska tillstånd

Kvantpunktskontakter är kvasi endimensionella förträngningar i annars tvådimensionella strukturer som bara är några få atomlager tunna. I topologiska HgTe-kvantbrunnar, där de ledande tillstånden är belägna uteslutande vid kanterna, dessa kanttillstånd sammanfogas rumsligt vid QPC:n. Denna närhet gör det möjligt att undersöka potentiella interaktioner mellan kanttillstånden.

"Det här experimentet kunde bara fungera på grund av ett genombrott i våra litografiska metoder. Det har gjort det möjligt för oss att skapa otroligt små strukturer utan att skada det topologiska materialet. Jag är övertygad om att denna teknik kommer att göra det möjligt för oss att hitta imponerande, nya effekter i topologiska nanostrukturer inom en snar framtid, sa Molenkamp.

Onormalt konduktansbeteende genom interaktion

Med hjälp av en sofistikerad tillverkningsprocess, JMU-fysikerna har lyckats strukturera flaskhalsen exakt och skonsamt. Dessa tekniska framsteg gjorde det möjligt för dem att funktionalisera systemets topologiska egenskaper.

I detta sammanhang, teamet ledd av professorerna Laurens Molenkamp och Björn Trauzettel kunde för första gången någonsin demonstrera interaktionseffekter mellan de olika topologiska tillstånden i ett system med hjälp av onormala konduktanssignaturer. Würzburg-forskarna tillskriver detta specifika beteende hos de analyserade topologiska QPC:erna till fysiken hos endimensionella elektroniska system.

Interagerande elektroner i en dimension

Om elektroniska korrelationer analyseras i en rumslig dimension, elektroner rör sig – till skillnad från i två eller tre rumsliga dimensioner – på ett välordnat sätt eftersom det inte finns någon möjlighet att "omköra" den ledande elektronen. Bildmässigt sett, elektronerna i det här fallet beter sig som pärlor på en kedja.

Denna speciella egenskap hos endimensionella system leder till intressanta fysiska fenomen. Trauzettel säger:"Samspelet mellan stark Coulomb -interaktion och koppling av spinnbana är sällsynt. Jag förväntar mig därför att detta system kommer att ge grundläggande upptäckter under de kommande åren."

Utsikter för framtida forskning

Topologiska QPC:er är en elementär komponent för många applikationer som har förutspåtts i teorin under de senaste åren.

Ett särskilt framträdande exempel av detta slag är den möjliga realiseringen av Majorana-fermioner, som den italienska fysikern Ettore Majorana förutspådde redan 1937. En lovande tillämpningspotential i samband med topologiska kvantdatorer tillskrivs dessa excitationer.

För det här syftet, det är av stor vikt inte bara att upptäcka Majorana-fermioner, men också för att kunna kontrollera och manipulera dem efter behag. Den topologiska QPC, implementerades först vid JMU Würzburg, erbjuder ett spännande perspektiv i detta avseende.