(PhysOrg.com) - Forskare vid Stanford och SLAC har hittat ett potentiellt sätt att utnyttja de fantastiska egenskaperna hos topologiska isolatorer - material som endast leder elektricitet längs sina ytor - för användning i elektronik och andra applikationer.

Ett papper publicerat online denna vecka i Naturnanoteknik beskriver hur de kombinerade två tidigare kända topologiska isolatorer för att skapa en ny som endast bär ytströmmar. De tillverkade sedan detta material till extremt tunna, små plattor och visade att de kunde styra de elektroniska egenskaperna hos dessa nanoplattor med hjälp av en grind - i huvudsak, en transistor som öppnas och stängs för att byta material från ett tillstånd till ett annat.

”Gating är mycket viktigt för elektroniska enheter, ”Sa medförfattaren Yi Cui, docent vid fakulteten i Stanford och SLAC, och att kontrollera egenskaperna hos dessa nya material "är verkligen grunden för att göra framtida elektroniska enheter för informationsbehandling."

Forskningen kombinerade ansträngningarna från fysiker och materialvetare vid SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, som är ett gemensamt institut för SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University.

En grupp som arbetade med Stanford Associate Prof. Ian Fisher förberedde kristaller av den nya föreningen, som innehåller tre element - vismut, antimon och tellur. En annan grupp, under ledning av SLAC-chefsforskaren Zhi-Xun Shen, testade olika kombinationer av de tre elementen för att se vilken som hade de bästa elektroniska egenskaperna, med hjälp av instrument vid Advanced Light Source vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

De letade efter kombinationen som tillät den högsta strömmen att flöda på materialets yta och den minsta strömmen som flödade genom det inre, som kallas bulkmaterial. Detta inre flöde stör den topologiska isolatorns önskvärda egenskaper.

Till sist, Kuis grupp bildade föreningen till sexsidiga nanoplater vars egenskaper kunde styras genom att slå på och stänga av en separat elektrisk ström; det är grinddelen. Att vända omkopplaren ett sätt fick föreningen att bete sig som ett material av n-typ-en där elektricitet leds av negativt laddade elektroner. Genom att vrida omkopplaren åt andra hållet förvandlades föreningen till ett material av p-typ, där positivt laddade "hål" bar strömmen. Dagens elektroniska marker innehåller både p- och n-typmaterial.

Denna studie är bland de första som tydligt visar att det är möjligt att använda en grind för att växla hela det topologiska isolatormaterialet mellan dessa två tillstånd.

"Det är faktiskt väldigt viktigt för alla typer av elektroniskt material, ”Sa Desheng Kong, en fjärdeårs doktorand i Kuis labb, som är första författare till rapporten. ”Du vill inte bara förstå dem, men för att kontrollera deras egenskaper. ”

Det faktum att materialets egenskaper kan justeras genom att tillämpa en grindström innebär också att du inte behöver börja med ett perfekt material för att uppnå bra prestanda, tillade SLAC -personalforskaren Yulin Chen, rapportens andra författare. "Det är snyggt, Sa han. "Och naturligtvis, i det långa loppet, människor kommer att fortsätta göra materialen bättre och bättre. ”

Nya enheter behövs desperat eftersom användbarheten av dagens halvledarteknik går mot sitt slut, sa SIMES Prof. Shoucheng Zhang, som inte var inblandad i denna studie.

Han sa att ett av de största hindren för fortsättningen av Moores lag - tanken att antalet transistorer som kan klämmas in på en integrerad krets kommer att fördubblas var 18:e månad - är att elektronerna som rör sig inuti dagens chips försvinner för mycket värme. "Du känner faktiskt att när du lägger din bärbara dator i knät, Sa han. ”Det är inte bara irriterande, men ett chip fungerar inte längre, med en viss hastighet, ”När det blir för varmt.

”Detta har blivit ett så grundläggande problem att många tror att det enda sättet att lösa det är att ändra chipets grundläggande arkitektur och driftsprincip, ”Sa Zhang, "Och det är en lekplats för fysiker."

Den potentiella fördelen med att använda topologiska isolatorer för att transportera strömmar i chips är att elektroner som färdas längs materialets tunna yta gör det med stor effektivitet och genererar väldigt lite värme. Det är inte bara ytans tunnhet som spelar en roll; det är det faktum att dessa elektroner uppvisar något som kallas "quantum spin Hall -effekten, "en av de skrämmande insikterna i kvantmekaniken. Till skillnad från elektroner i konventionella material, varje elektron i en topologisk isolator färdas i en riktning vinkelrätt mot dess snurr.

Nettoeffekten är att elektronerna flyter mjukt i samma riktning utan motstånd, lugnt svänga runt hinder - som oavsiktliga föroreningar eller defekter i materialet - snarare än att kollidera och svänga i alla riktningar. Som Zhang förklarar det, det är skillnaden mellan en Ferrari som far fram genom en fullsatt marknadsplats och samma bil som kör på en motorväg.

Spänningen kring topologiska isolatorer är inte begränsad till deras potentiella användbarhet i elektroniska enheter. De kan också ge forskare inblick i en mängd olika exotiska fenomen, inklusive hypotetiska partiklar som kallas axioner, som kan hjälpa till att förklara mörk materia, och magnetiska monopoler.

Det var Zhang som, under 2006, hjälpte till att sätta igång ett galet streck för att undersöka topologiska isolatorer genom att förutsäga att en legering av kvicksilver och tellur skulle bete sig som en sådan. Inom ett år, en grupp i Tyskland tillverkade denna förening och visade att den verkligen fungerade, men bara vid mycket låga temperaturer. År 2009, Chen, Shen, Fisher och deras kollegor bevisade att vismut tellurid - en billigare, mer rikligt och lättare att hantera material-är en topologisk isolator vid rumstemperatur, och fältet tog verkligen fart.

Det senaste resultatet är ”ett viktigt steg, ”Sa Zhang, i den globala ansträngningen av många grupper av forskare att utnyttja egenskaperna hos dessa nya material.