Forskare har skapat en exotisk 3D-racingbana för elektroner i ultratunna skivor av ett nanomaterial som de tillverkat vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Det internationella teamet av forskare från Berkeley Lab, UC Berkeley, och Tyskland observerade, för första gången, ett unikt beteende där elektroner roterar runt en yta, sedan genom huvuddelen av materialet till dess motsatta yta och tillbaka.

Möjligheten att utveckla så kallad "topologisk materia" som kan bära elektrisk ström på sin yta utan förlust vid rumstemperatur har väckt stort intresse i forskarvärlden. Det slutliga målet är att närma sig förlustfri ledning av en annan klass av material, kända som supraledare, men utan behov av det extrema, frystemperaturer som supraledare kräver.

"Mikrochips förlorar så mycket energi genom värmeavledning att det är en begränsande faktor, sa James Analytis, en stabsforskare vid Berkeley Lab och biträdande professor i fysik vid UC Berkeley som ledde studien, publiceras i Natur . "Ju mindre de blir, ju mer de värms upp."

Det studerade materialet, en oorganisk halvmetall som kallas kadmiumarsenid (Cd3As2), uppvisar kvantegenskaper – som inte förklaras av fysikens klassiska lagar – som erbjuder ett nytt tillvägagångssätt för att minska avfallsenergi i mikrochips. Under 2014, forskare upptäckte att kadmiumarsenid delar vissa elektroniska egenskaper med grafen, ett enatoms tjockt material som också tittar på nästa generations datorkomponenter, men i 3D-form.

"Det som är spännande med dessa fenomen är att i teorin, de påverkas inte av temperaturen, och det faktum att de finns i tre dimensioner gör det möjligen lättare att tillverka nya enheter, " sa Analytis.

Kadmiumarsenidproverna visade en kvantegenskap känd som "kiralitet" som kopplar en elektrons fundamentala egenskap hos spinn till dess rörelsemängd, i huvudsak ger den vänster- eller högerhänta egenskaper. Experimentet gav ett första steg mot målet att använda kiralitet för att transportera laddning och energi genom ett material utan förlust.

I experimentet, forskare tillverkade och studerade hur elektrisk ström rör sig i skivor av en kadmiumarsenikkristall bara 150 nanometer tjock, eller cirka 600 gånger mindre än bredden på ett människohår, när de utsätts för ett högt magnetfält.

Kristallproverna tillverkades på Berkeley Labs Molecular Foundry, som har fokus på att bygga och studera material i nanoskala, och deras 3D-struktur detaljerades med röntgenstrålar vid Berkeley Labs Advanced Light Source.

Många mysterier kvarstår om de exotiska egenskaperna hos det studerade materialet, och som ett nästa steg söker forskare andra tillverkningstekniker för att bygga ett liknande material med inbyggda magnetiska egenskaper, så inget externt magnetfält krävs.

"Det här är inte rätt material för en ansökan, men det säger oss att vi är på rätt väg, " sa Analytis.

Om forskare lyckas med sina modifieringar, ett sådant material kan tänkas användas för att bygga sammankopplingar mellan flera datorchips, till exempel, för nästa generations datorer som förlitar sig på en elektrons spinn för att bearbeta data (känd som "spintronics"), och för att bygga termoelektriska enheter som omvandlar spillvärme till elektrisk ström.

Det var först inte klart om forskargruppen ens skulle kunna tillverka ett tillräckligt rent prov i den lilla skala som krävs för att genomföra experimentet, sa Analytis.

"Vi ville mäta yttillstånden för elektroner i materialet. Men detta 3D-material leder också elektricitet i huvuddelen - det är den centrala regionen - såväl som vid ytan, " sa han. Som ett resultat, när du mäter den elektriska strömmen, signalen översvämmas av vad som händer i bulken så att du aldrig ser ytbidraget."

Så de krympte provet från miljondelar av en meter till nanoskalan för att ge dem mer yta och säkerställa att ytsignalen skulle vara den dominerande i ett experiment.

"Vi bestämde oss för att göra detta genom att forma prover till mindre strukturer med en fokuserad stråle av laddade partiklar, ", sa han. "Men den här jonstrålen är känd för att vara ett grovt sätt att behandla materialet - det är typiskt inneboende skadligt för ytor, och vi trodde att det aldrig skulle fungera."

Men Philip J.W. Moll, nu vid Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Tyskland, hittat ett sätt att minimera denna skada och ge finpolerade ytor i de små skivorna med hjälp av verktyg på Molecular Foundry. "Att skära något och samtidigt inte skada det är naturliga motsatser. Vårt team var tvungna att pressa jonstråletillverkningen till dess gränser för låg energi och snäv strålfokus för att göra detta möjligt."

När forskare applicerade en elektrisk ström på proverna, de fann att elektroner rasar runt i cirklar som liknar hur de kretsar runt en atoms kärna, men deras väg går genom både ytan och huvuddelen av materialet.

Det applicerade magnetfältet driver elektronerna runt ytan. När de når samma energi och momentum för bulkelektronerna, de dras av bulkens chiralitet och trycks igenom till den andra ytan, upprepa denna konstigt slingrande väg tills de är utspridda av materialdefekter.

Experimentet representerar ett framgångsrikt äktenskap av teoretiska tillvägagångssätt med rätt material och tekniker, sa Analytis.

"Detta hade teoretiserats av Andrew Potter i vårt team och hans medarbetare, och vårt experiment markerar första gången det observerades, " sade Analytis. "Det är mycket ovanligt - det finns inga liknande fenomen i något annat system. Materialets två ytor "pratar" med varandra över stora avstånd på grund av sin kirala natur."

"Vi hade förutspått detta beteende som ett sätt att mäta de ovanliga egenskaperna som förväntas i dessa material, och det var väldigt spännande att se dessa idéer komma till liv i verkliga experimentella system, sade Potter, en assisterande fysikprofessor vid University of Texas i Austin. "Philip och medarbetare gjorde några fantastiska innovationer för att producera extremt tunna och högkvalitativa prover, vilket verkligen gjorde dessa observationer möjliga för första gången."

Forskare lärde sig också att oordning i mönstringen av materialets kristallyta inte verkar påverka elektronernas beteende där, även om oordning i det centrala materialet har en inverkan på om elektronerna rör sig över materialet från en yta till den andra.

Elektronernas rörelse uppvisar en dubbelhänthet, med vissa elektroner som färdas runt materialet i en riktning och andra som loopar runt i motsatt riktning.

Forskare bygger nu vidare på detta arbete med att designa nya material för pågående studier, sa Analytis. "Vi använder tekniker som normalt är begränsade till halvledarindustrin för att tillverka prototypenheter av kvantmaterial."