Ett betydande genombrott har uppnåtts av kvantfysiker från Dresden och Würzburg. De har skapat en halvledarenhet där exceptionell robusthet och känslighet säkerställs av ett kvantfenomen. Denna topologiska hudeffekt skyddar enhetens funktionalitet från yttre störningar, vilket möjliggör mätningar av oöverträffad precision.
Detta anmärkningsvärda framsteg är resultatet av det smarta arrangemanget av kontakter på aluminium-gallium-arsenidmaterialet. Det frigör potential för högprecisions kvantmoduler inom topologisk fysik, vilket för dessa material in i halvledarindustrins fokus. Dessa resultat, publicerade i Nature Physics , markera en stor milstolpe.
Halvledarenheter är små omkopplingskomponenter som styr elektronflödet i moderna elektroniska enheter. De driver allestädes närvarande högteknologiska föremål som mobiltelefoner, bärbara datorer och bilsensorer, såväl som toppmodern medicinsk utrustning. Men materialföroreningar eller temperaturförändringar kan störa flödet av elektroner, vilket leder till instabilitet.
Men nu har teoretiska och experimentella fysiker från Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter utvecklat en halvledarenhet från aluminium-gallium-arsenid (AlGaAs). Den här enhetens elektronflöde, vanligtvis mottagligt för störningar, skyddas av ett topologiskt kvantfenomen.
"Tack vare den topologiska hudeffekten är alla strömmar mellan de olika kontakterna på kvanthalvledaren opåverkade av föroreningar eller andra yttre störningar. Detta gör topologiska enheter alltmer tilltalande för halvledarindustrin. De eliminerar behovet av extremt höga nivåer av materialrenhet som för närvarande driver upp kostnaderna för elektroniktillverkning", förklarar professor Jeroen van den Brink, chef för Institutet för teoretisk fast tillståndsfysik vid Leibniz Institute for Solid State and Materials Research i Dresden (IFW) och en huvudutredare av ct. .qmat.
Topologiska kvantmaterial, kända för sin exceptionella robusthet, är idealiska för kraftkrävande applikationer. "Vår kvanthalvledare är både stabil och ändå mycket exakt – en sällsynt kombination. Detta positionerar vår topologiska enhet som ett spännande nytt alternativ inom sensorteknik."
Att använda den topologiska hudeffekten möjliggör nya typer av högpresterande elektroniska kvantenheter som också kan vara otroligt små. "Vår topologiska kvantenhet mäter cirka 0,1 millimeter i diameter och kan lätt skalas ner ytterligare", säger van den Brink.
Den banbrytande aspekten av prestationerna av teamet av fysiker från Dresden och Würzburg är att de var de första som insåg den topologiska hudeffekten i mikroskopisk skala i ett halvledarmaterial. Detta kvantfenomen demonstrerades ursprungligen på en makroskopisk nivå för tre år sedan - men bara i ett artificiellt metamaterial, inte ett naturligt. Detta är därför första gången som en liten, halvledarbaserad topologisk kvantenhet som är både mycket robust och ultrakänslig har utvecklats.
"I vår kvantenhet skyddas förhållandet mellan ström och spänning av den topologiska hudeffekten eftersom elektronerna är begränsade till kanten. Även i händelse av föroreningar i halvledarmaterialet förblir strömflödet stabilt", förklarar van den Brink.
"Dessutom kan kontakterna upptäcka även de minsta fluktuationer i ström eller spänning. Detta gör den topologiska kvantenheten exceptionellt väl lämpad för att tillverka högprecisionssensorer och förstärkare med små diametrar."
Framgång uppnåddes genom att kreativt arrangera material och kontakter på en AlGaAs-halvledarenhet, vilket inducerade den topologiska effekten under ultrakalla förhållanden och ett starkt magnetfält. "Vi lockade verkligen ut den topologiska hudeffekten ur enheten", förklarar van den Brink.
Fysikteamet använde en tvådimensionell halvledarstruktur. Kontakterna var arrangerade på ett sådant sätt att det elektriska motståndet kunde mätas vid kontaktkanterna, vilket direkt avslöjar den topologiska effekten.
Sedan 2019 har ct.qmat undersökt topologiska kvantmaterial i Würzburg och Dresden och utforskat deras extraordinära beteende under extrema förhållanden som ultralåga temperaturer, höga tryck eller starka magnetfält.
Det senaste genombrottet är också resultatet av ett uthålligt samarbete mellan forskare på klustrets två platser. Den nya kvantanordningen, utformad vid IFW, var en gemensam ansträngning som involverade teoretiska fysiker från Universität Würzburg såväl som både teoretiska och experimentella forskare i Dresden. Efter att ha tillverkats i Frankrike testades enheten i Dresden. Jeroen van den Brink och hans kollegor är nu dedikerade till att ytterligare utforska detta fenomen, i syfte att utnyttja det för framtida tekniska innovationer.
Mer information: Kyrylo Ochkan et al, Non-Hermitian topology in a multi-terminal quantum Hall device, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02337-4
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
