NUS-fysiker har hittat ett nytt sätt att skapa och ställa in de topologiska kanttillstånden i tvådimensionella (2-D) topologiska isolatorer (TI) för potentiella spintronicapplikationer.

En TI är ett material som fungerar som en isolator i sitt inre, men vars yta innehåller ledande tillstånd, vilket betyder att elektroner bara kan röra sig längs materialets yta. Liknande, en 2-D TI är ett isolerande 2-D-material, men vars elektroner får röra sig längs kanterna. 2-D TI är lovande kandidater för spinnelektronik och enheter med minimal/ försumbar energispridning, till exempel kvantdatorer och elektronik med ultralåg energi. Dock, tillverkningen av robusta TI:er och tillförlitlig inställning av deras topologiska tillstånd är utmanande. Särskilt, 2-D-vismuten (vismut-monoskikt med en bikakeformad atomstruktur) förutspås som den bästa kandidaten för ett 2-D TI, men beredningen av fristående lägen i ett enda lager bismuten har fortfarande inte realiserats, och substratets påverkan på de topologiska tillstånden är okänd.

Ett forskargrupp ledd av prof Andrew WEE från Institutionen för fysik, NUS har framgångsrikt skapat en bismuten -homostruktur med molekylär stråle -epitaxy (MBE). Med denna lågtemperaturavsättningsmetod, ett enda lager av bismuten kan odlas på ett enda lager av svart-fosforliknande vismutskikt (BP-Bi) för att bilda en vertikal homostruktur med olika rotationsvinklar mellan de två skikten. Eftersom de två lagren i homostrukturen har olika atomarrangemang, interskiktsinteraktionen mellan dessa två lager observeras vara i stort sett reducerad och periodiskt förändrad. Detta resulterar i ett nästan fristående monolager av vismuten med avstämbara topologiska kanttillstånd.

Moiré -mönster är stora interferensmönster som produceras när ett periodiskt gitter läggs på ett annat liknande gitter, typiskt vid en liten relativ rotationsvinkel. Denna nya metod för att använda moirémönstret som bildas genom att rotera två 2-D-material i förhållande till varandra kan potentiellt användas för att avsiktligt styra enhetens prestanda.

Dr GOU Jian, en forskare i teamet, förklarade, "Till skillnad från 3D-halvledare där de elektroniska egenskaperna är avstämda genom införandet av dopingatomer, egenskaperna hos atomtunna 2-D-material modifieras enkelt av dopningsatomer. Därav, observationen av topologisk tillståndsmodulering genom en vismutenhomostruktur erbjuder en skadesfri metod för att styra de elektroniska tillstånden i 2-D TI-enheter. "

"Det spännande området twistronics har nyligen visats i grafen, och detta arbete med bismuten avslöjar dess skönhet i att avslöja de topologiska kanttillstånden i ett 2-D-material, "tillade prof Wee.

Teamet planerar att ytterligare undersöka sådana nya moirémönster, i hopp om att förverkliga en mer robust avstämning av de elektroniska tillstånden i 2-D TI:er.