En ny teknik gör det möjligt att erhålla ett individuellt fingeravtryck av de strömförande kanttillstånden som förekommer i nya material som topologiska isolatorer eller 2D-material. Fysiker vid universitetet i Basel presenterar den nya metoden tillsammans med amerikanska forskare i Naturkommunikation .

Även om isolatorer inte leder elektriska strömmar, vissa speciella material uppvisar speciella elektriska egenskaper. Även om de inte leder genom sin bulk, deras ytor och kanter kan stödja elektriska strömmar på grund av kvantmekaniska effekter, och gör det även utan att orsaka förluster. Sådana topologiska isolatorer har rönt stort intresse de senaste åren på grund av sina anmärkningsvärda egenskaper. Särskilt, deras robusta kantstater är mycket lovande eftersom de kan leda till stora tekniska framsteg.

Liknande effekter som kanttillstånden hos sådana topologiska isolatorer uppträder också när en tvådimensionell metall utsätts för ett starkt magnetfält vid låga temperaturer. När den så kallade kvanthalleffekten realiseras, ström tros flyta endast vid kanterna, där flera ledande kanaler bildas.

Undersöka enskilda kanttillstånd

Tills nu, det var inte möjligt att adressera de många strömförande tillstånden individuellt eller att bestämma deras positioner separat. Den nya tekniken gör det nu möjligt att få ett exakt fingeravtryck av de strömbärande kanttillstånden med nanometerupplösning. Detta rapporteras av forskare vid institutionen för fysik och det schweiziska nanovetenskapsinstitutet vid University of Basel i samarbete med kollegor vid University of California, Los Angeles, såväl som vid Harvard och Princeton University, USA.

För att mäta fingeravtrycket för de ledande kanttillstånden, fysikerna ledda av prof. Dominik Zumbühl har vidareutvecklat en teknik baserad på tunnelspektroskopi. De har använt en galliumarsenid nanotråd placerad vid provkanten som löper parallellt med kanttillstånden som undersöks. I den här konfigurationen, elektroner kan hoppa (tunnel) fram och tillbaka mellan ett specifikt kanttillstånd och nanotråden så länge som energierna i båda systemen sammanfaller. Med hjälp av ett extra magnetfält, forskarna kontrollerar rörelsemängden hos tunnelelektroner och kan ta itu med individuella kanttillstånd. Från de uppmätta tunnelströmmarna, positionen och utvecklingen av varje kanttillstånd kan erhållas med nanometerprecision.

Följer utvecklingen

Denna nya teknik är mycket mångsidig och kan också användas för att studera dynamiskt utvecklande system. När magnetfältet ökar, antalet kanttillstånd minskas, och deras fördelning ändras. För första gången, forskarna kunde se hela kanttillståndsutvecklingen från att de bildades vid mycket låga magnetfält.

Med ökande magnetfält, kanttillstånden komprimeras först mot provgränsen tills slutligen, de rör sig mot insidan av provet och försvinner sedan helt. Analytiska och numeriska modeller utvecklade av forskargruppen stämmer mycket väl överens med experimentdata.

"Denna nya teknik är inte bara mycket användbar för att studera kvanthallskanttillstånden, " Dominik Zumbühl kommenterar resultaten av det internationella samarbetet. "Det kan också användas för att undersöka nya exotiska material som topologiska isolatorer, grafen eller andra 2D-material."