Quantum spin Hall-isolatorer är en klass av tvådimensionella (2D) topologiska tillstånd av materia som är elektriskt isolerande i sitt inre men, till skillnad från halvledare, bära ett par endimensionella (1D) metalliska tillstånd, som är strikt begränsade till sina kanter.

Speciellt för dessa "edgy" 1D-elektroner är att de är vad fysiker kallar spiralformade:dvs. ledningselektronernas spinn är inriktade och knutna till den riktning som elektronerna rör sig längs 1D-kanten, liknar ett par spinnpolariserade endimensionella trådar. Dessa spiralformade egenskaper erbjuder potentiella lösningar för problem inom elektronik och spintronik, såväl som kvantelektronik.

Precis som ett pappersark behåller sina två sidor även när det är skrynkligt, de fysikaliska egenskaperna hos de metalliska kanttillstånden hos en quantum spin Hall-isolator är anmärkningsvärt stabila mot störningar – de skyddas av topologi.

Först teoretiskt förutspådde för två decennier sedan, detta exotiska, materias topologiska tillstånd först realiserats i noggrant utformade, skiktade halvledarheterostrukturer.

På senare tid, klasser av atomärt tunna kristaller växer fram, liknar den berömda grafenen, som är värd för detta elektroniska tillstånd av materia som en inneboende egenskap.

I deras artikel i Avancerade material i april 2021 (länk nedan), teamet granskar de senaste framstegen inom materialteknik vid sidan av den teoretiska beskrivningen, kartlägga biblioteket av lovande atomärt tunna kvantspinn Hall-isolatorer med sikte på klassiska och kvantelektroniska anordningar.

Till exempel, temperaturintervallet över vilket de exotiska kanttillstånden kan utnyttjas skalor med egenskaperna hos dessa kristaller, såsom kopplingsstyrkan hos elektronens spinn till dess omloppsrörelsemängd.

Medan halvledarheterostrukturbaserade kvantspinn Hall-isolatorer endast har karakteriserats vid flytande heliumtemperaturer (T <4,2 K), De senaste framstegen har sett utvecklingen av atomärt tunna kristaller som behåller sina kvantspinn Hall-egenskaper upp till 100 K, lovande rumstemperaturdemonstrationer i framtiden.

Quantum spin Hall-isolatorer skulle kunna användas för nya typer av elektronik som förbrukar mindre ström, men detta skulle kräva rumstemperaturdrift för att undvika dyrbar (och kraftkrävande) kylning.

Vid extrema låga temperaturer där supraledning kan induceras, särskilt lovande kvantberäkningstillämpningar har förutspåtts. Vid supraledande, 1D-kanttillstånden har förutspåtts vara värd för en exotisk typ av kvasipartiklar som kallas "Majorana fermioner, "som varken är fermion eller boson. Ja, dessa vem som helst fungerar som sin egen antipartikel och lyder exotisk icke-abeliask kvasipartikelstatistik vilket gör dem till spännande kandidater som bärare av kvantinformation.

Verkligen, på grund av deras topologiska skydd mot yttre störningar, dessa exotiska fermioner har förutspåtts erbjuda en potentiell lösning på ett vanligt problem inom kvantberäkning, vilket är att behålla långa koherenstider – dvs. tidsskalan över vilken kvantinformation kan lagras och bearbetas.

Majorana-baserad topologisk kvantberäkning betraktas ofta som ett av vår tids mest utmanande fysiska problem. Den har fått enorm uppmärksamhet i media och granskning, speciellt nyligen, betonar vikten av fortsatt forskning om alternativa material och enhetsplattformar där topologisk kvantberäkning kan realiseras.

Pappret, Atomiskt tunna kvantspinnhallsisolatorer (Michael S. Lodge, Shengyuan A. Yang, Shantanu Mukherjee, och Bent Weber) publicerades i Avancerade material i april 2021.