Sedan de upptäcktes 2006 topologiska isolatorer har diskuterats allmänt som en lovande väg för energieffektiv elektronik. Deras unika kantstater med hög rörlighet har en form av "kvantpansar" som skyddar dem från elektronspridningshändelser som annars skulle producera spillvärme.

Tyvärr, praktiska tillämpningar av topologiska isolatorer har begränsats kraftigt av de små elektroniska bandgapen i de flesta kända material. Detta betyder att även om de fungerar bra vid mycket låga temperaturer genom att producera mycket mobila ytelektroner, vid högre temperaturer, huvuddelen av elektroniska stater dominerar, och dessa är inte bättre än i andra traditionella halvledare.

Nu, ett team som leds av professor Xiaolin Wang (UOW) i samarbete med Michael Fuhrer (Monash), har kombinerat smart kemi och avancerade elektroniska mätningar för att utveckla en ny topologisk isolator med en "bred" bandgap på över 300 meV, som är 12 gånger större än den termiska energin i ett rumstemperatursystem.

Studiens huvudförfattare, en Weiyao Zhao, en doktorsexamen student på Wollongong förklarar, "Den speciella aspekten av detta material är kombinationen av ett brett bandgap, och förekomsten av ett robust yttillstånd. "

Tidigare studier har föreslagit att substituera svavel till en Sb ₂ Te ₃ eller Bi ₂ Te ₃ topologiska isolatorer skulle resultera i ett större bandgap. Dock, detta är mycket svårt i praktiken eftersom kristallstrukturen blir instabil på grund av atoms storleksanpassning.

För att uppnå stabilitet, Zhao använde ett schema baserat på samsubstitution av svavel balanserat med en liten mängd större vanadin och tennjoner vilket resulterade i det komplexa materialet Vx:Bi _1,08 -xSn _0,02 Sb _0,9 Te ₂ S. Sådana föreningar kallas ibland skämtsamt som "telefonnummer" -föreningar av fysiker och kemister på grund av deras långa kemiska formler.

Denna förening var kulmen på två års experiment av Zhao, som nu går sista året av sin doktorsexamen på Wollongong.

En viktig upptäckt var det tydliga beviset på ett ökande bandgap som skalas med vanadininnehåll. I tandem, använder en transportteknik baserad på att observera kvantoscillationer för magnetfält i olika vinklar, laget kunde visa att yttillståndet är aktivt upp till de höga temperaturerna på 50 K. Detta placerar materialet i nivå med de mest kända topologiska isolatorerna.

Med det stora interna bandgapet finns det starka möjligheter att ytterligare öka driftstemperaturerna genom att minska defektkoncentrationer och använda nanofabriceringstekniker.

Professor Wang sa:"Vi kan observera det robusta topologiska 2-D-yttillståndet vid en temperatur så hög som 50K i magnetfält upp till 14 Tesla på stora topologiska isolatorkristaller. Detta är anmärkningsvärt, som stora 3D-topologiska isoleringskristaller kan användas som en ny klass av substrat för att rymma nya kvanttillstånd som Majorana fermioner och andra spinnberoende effekter. "

Denna utveckling passar med temat möjliggörande teknik inom FLEET som syftar till att utveckla material som kan fungera vid hög temperatur för att ersätta kisel i datorteknik.

Pappret, "Kvantoscillationer av robust topologisk yttillstånd upp till 50 K i tjock bulkisolerande topologisk isolator, "publicerades i npj Quantum Materials .