Forskare har skapat nanoband av en framväxande klass av material som kallas topologiska isolatorer och använt ett magnetfält för att kontrollera deras halvledaregenskaper, ett steg mot att utnyttja tekniken för att studera exotisk fysik och bygga nya spintroniska enheter eller kvantdatorer.
Till skillnad från vanliga material som antingen är isolatorer eller ledare, topologiska isolatorer är paradoxalt nog båda samtidigt - de är isolatorer inuti men leder elektricitet på ytan, sa Yong P. Chen, en docent vid Purdue University i fysik och astronomi samt el- och datorteknik som arbetade med doktoranden Luis A. Jauregui och andra forskare.
Materialen kan användas för "spintroniska" enheter och praktiska kvantdatorer som är mycket kraftfullare än dagens teknik. I de nya rönen, forskarna använde ett magnetfält för att inducera en så kallad "spiralform" av elektroner, en förmåga som skulle kunna göra det möjligt att kontrollera elektronernas spinntillstånd.
Resultaten beskrivs i ett forskningsdokument som publicerades i tidskriftens förhandspublikation online Naturens nanoteknik den 18 januari och visade att ett magnetfält kan användas för att få nanobanden att genomgå en "topologisk övergång, "växling mellan ett material som har ett bandgap på ytan och ett som inte har det.
"Kisel är en halvledare, vilket betyder att det har ett bandgap, en egenskap som behövs för att sätta på och stänga av ledningen, basen för kiselbaserade digitala transistorer för att lagra och bearbeta information i binär kod, " sa Chen. "Koppar är en metall, vilket innebär att den inte har något bandgap och är alltid en bra dirigent. I båda fallen är närvaron eller frånvaron av ett bandgap en fast egenskap. Det som är konstigt med ytan på dessa material är att du kan kontrollera om den har ett bandgap eller inte bara genom att applicera ett magnetfält, så det är typ avställbart, och denna övergång är periodisk i magnetfältet, så att du kan köra den genom många "gap" och "gapless" tillstånd."
Nanorbanden är gjorda av vismuttellurid, materialet bakom solid state-kylningsteknologier som kommersiella termoelektriska kylskåp.
"Vismuttellurid har varit arbetshästens material för termoelektrisk kylning i decennier, men bara under de senaste åren har människor funnit att detta material och relaterade material har denna fantastiska ytterligare egenskap att vara topologiska isolatorer, " han sa.
Tidningen skrevs av Jauregui; Michael T. Pettes, en tidigare postdoktor vid University of Texas i Austin och nu biträdande professor vid avdelningen för maskinteknik vid University of Connecticut; Leonid P. Rokhinson, en Purdue-professor i fysik och astronomi och elektro- och datorteknik; Li Shi, BF Goodrich begåvad professor i materialteknik vid University of Texas i Austin; och Chen
Ett nyckelfynd var att forskarna dokumenterade användningen av nanoband för att mäta så kallade Aharonov-Bohm-svängningar, vilket är möjligt genom att leda elektroner i motsatta riktningar i ringliknande banor runt nanobanden. Strukturen av nanobandet - en nanotråd som är topologiskt densamma som en cylinder - är nyckeln till upptäckten eftersom den tillåter studier av elektroner när de färdas i en cirkulär riktning runt bandet. Elektronerna leder endast på ytan av nanotrådarna, spåra ut en cylindrisk cirkulation.
"Om du låter elektroner färdas i två banor runt en ring, på vänster och höger vägar, och de möts i andra änden av ringen, då kommer de att interferera antingen konstruktivt eller destruktivt beroende på fasskillnaden som skapas av ett magnetfält, vilket resulterar i antingen hög eller låg konduktivitet, respektive, visar kvantnaturen hos elektroner som beter sig som vågor, sa Jauregui.
Forskarna visade en ny variation av denna svängning i topologiska isolatorytor genom att inducera elektronernas spiralformade mod. Resultatet är förmågan att vända från konstruktiv till destruktiv störning och tillbaka.
"Detta ger mycket definitiva bevis för att vi mäter de spiralformade elektronerna, " Sade Jauregui. "Vi mäter dessa topologiska yttillstånd. Denna effekt har verkligen inte setts särskilt övertygande förrän nyligen, så nu ger det här experimentet verkligen tydliga bevis för att vi talar om dessa spinnhelixelektroner som fortplantar sig på cylindern, så detta är en aspekt av denna svängning."
Fynden visade också denna oscillation som en funktion av "gatespänning, " representerar ett annat sätt att byta ledning från hög till låg.
"Omkopplingen sker när omkretsen av nanobandet bara innehåller ett heltal av den kvantmekaniska våglängden, eller 'fermi våglängd, ' som är avstämd av gate-spänningen hos elektronerna som lindas runt ytan, " sa Chen.
Det var första gången forskare har sett den här typen av grindberoende svängning i nanoband och korrelerar det ytterligare med den topologiska isolatorbandstrukturen hos vismuttellurid.
Nanobanden sägs ha "topologiskt skydd, " förhindrar elektroner på ytan från att spridas tillbaka och möjliggör hög ledningsförmåga, en kvalitet som inte finns i metaller och konventionella halvledare. De tillverkades av forskare vid UT Austin.
Mätningarna utfördes medan nanobanden kyldes till cirka minus 273 grader Celsius (nästan minus 460 grader Fahrenheit).
"Vi måste arbeta vid låga temperaturer för att observera elektronernas kvantmekaniska natur, " sa Chen.
Framtida forskning kommer att omfatta arbete för att ytterligare undersöka nanotrådarna som en plattform för att studera den exotiska fysik som behövs för topologiska kvantberäkningar. Forskare kommer att sträva efter att koppla ihop nanotrådarna med supraledare, som leder elektricitet utan motstånd, för hybrid topologiska isolator-supraledande anordningar. Genom att ytterligare kombinera topologiska isolatorer med en supraledare, forskare kanske kan bygga en praktisk kvantdator som är mindre mottaglig för de miljöföroreningar och störningar som hittills har inneburit utmaningar. En sådan teknik skulle utföra beräkningar med hjälp av kvantmekanikens lagar, gör datorer mycket snabbare än konventionella datorer vid vissa uppgifter som databassökningar och kodbrytning.
