Smartphones, bärbara datorer och andra elektroniska enheter i vårt dagliga liv har stor nytta av den ständigt ökande miniatyriseringen av halvledarutrustning. Denna utveckling har dock ett pris:begränsande elektroner ökar deras spridning - mobiltelefoner värms upp.

Topologiska isolatorer håller löften om en mer effektiv och hållbar teknik. I strid med konventionella halvledare, strömmen flyter på deras gränser, med spridning blir förbjuden tack vare symmetri skäl. Med andra ord, saker förblir coola! 2007 Laurens Molenkamp, fysiker vid universitetet i Würzburg och medlem i Cluster of Excellence, upptäckte det första topologiska kvantmaterialet, skapa en global resonans i det vetenskapliga samfundet.

Indenene - en dold honungskaka

I jakten på nya topologiska material, de flesta av de teoretiska ansträngningarna hittills har fokuserat på tvådimensionella atomlager i ett bikakearrangemang. Motiveringen kommer från grafen, "Drosophila" i quantum spin Hall -systemen, eller mer enkelt, ett enda lager av den berömda grafiten inuti våra gamla klassiska pennor. Forskargruppen i Würzburg fortsatte istället en alternativ väg:de teoretiska fysikerna runt Giorgio Sangiovanni har föreslagit att använda ett enklare triangulärt atomgitter.

Denna idé har genomförts av det experimentella teamet av Ralph Claessen, talesman för ct.qmats filial i Würzburg. Med hjälp av toppmoderna molekylära stråltekniker, forskarna lyckades deponera ett enda lager av indiumatomer som triangulärt galler på en kiselkarbidkristall som stöd - vilket resulterar i indenen. Tack vare dessa nya kombinationer av byggstenar och kemiska element, de relevanta elektronerna lokaliseras inte direkt på indiumlägena utan föredrar att ta upp det fria utrymmet mellan dem. Från elektronernas perspektiv fyller deras laddning det "negativa" hos det triangulära indiumgitteret som faktiskt är ett bikakegaller - dolt i tomrummen i atomstrukturen.

Projektledare Giorgio Sangiovanni förklarar detta genom partiklarnas kvantmekaniska karaktär:"Man kan beskriva indiumelektronerna som vågor som hopar sig i tomrummen på det triangulära galler där man vid första ögonkastet inte skulle förvänta sig att de skulle vara. Intressant nog är att den resulterande "dolda" bikakekopplingen leder till en särskilt robust topologisk isolator, mer än grafen. "

Topologiska kvantmaterial med distinkta fördelar

Den unika materialdesign som har lett till syntesen av indenen kan förbättra den nuvarande tekniska statusen inom topologisk elektronik:Till skillnad från grafen, indenen behöver inte kylas ned till ultralåga temperaturer för att visa dess egenskaper som en topologisk isolator. Detta är en konsekvens av det särskilt enkla triangulära galler som möjliggör stora strukturella domäner, ofta en allvarlig flaskhals i syntesen av andra topologiska material.

"Vi blev verkligen förvånade, att en så enkel atomstruktur kan visa topologiska egenskaper. Detta är en viktig tillgång för en framgångsrik tillväxt av perfekta indenenfilmer som kan uppfylla de krävande standarder som krävs för nanofabricering av enheter. Vidare, användningen av kiselkarbid som stödsubstrat gör att vi kan ansluta till etablerad halvledarteknik, "säger Ralph Claessen, kommentera det vetenskapliga resultatet.

Syn

Den enkla strukturen för indenen representerar samtidigt en utmaning:så snart det enda lagret av indiumatomer kommer i kontakt med luft, materialet förlorar sina speciella egenskaper. Av denna anledning utvecklar forskarna för närvarande ett atomskyddsskikt som kan skydda indenen från oönskad kontaminering under dess syntes. En lösning på dessa frågor kommer att bana väg för en storskalig användning av dessa topologiska kvantmaterial.