Tredimensionella topologiska isolatorer är material som kan leda elektrisk ström utan motstånd - men bara på sin yta. Dock, denna effekt är svår att mäta. Detta beror på att dessa material vanligtvis har liten yta i förhållande till sin volym, vilket innebär att deras transportegenskaper domineras av bulklastbärare.

Fysiker vid Bielefeld University har nu lyckats utveckla topologiska isolatorer baserade på små nanopartiklar och har därmed kunnat påvisa laddningstransport på ytan. Studien genomfördes i samarbete med forskare från universitetet i Duisburg-Essen och Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden. Forskarna har publicerat sina resultat i dag i tidskriften Små .

Topologiska isolatorer har egenskaper som endast kan beskrivas av kvantfysik. Det speciella med dessa kvantmaterial är att deras bulk inte leder elektricitet alls eller endast mycket dåligt, medan laddningsbärare kan röra sig utan störningar i skyddade transportkanaler på deras yta. Sammansättningen vismuttellurid är ett material med sådana skyddade transportkanaler.

"Makroskopiskt stora prover av dessa tredimensionella topologiska isolatorer, dock, har en mycket hög volym jämfört med deras yta. Som ett resultat, det finns många fler bulkladdningsbärare, vilket innebär att deras dåliga laddningstransport dominerar över laddningstransporten på ytan, " säger professor Dr. Gabi Schierning från forskargruppen Thin Films and Physics of Nanostructures vid Bielefeld University. "Även om de speciella transportegenskaperna hos tredimensionella topologiska isolatorer förutsägs i teorin, det är svårt att undersöka dem i experiment."

För att komma runt detta problem, forskarna använder nanopartiklar. Eftersom dessa partiklar är så små, de har en stor yta i förhållande till sin volym. Schierning och hennes kollegor har nu komprimerat nanopartiklar av vismuttellurid till pellets fem millimeter breda och 0,5 millimeter tjocka - och producerat en tredimensionell topologisk isolator som består av nanoenheter.

Makroskopiska materialprover med många gränssnitt

"Med detta trick, vi lyckades skapa makroskopiska materialprover med ett stort antal gränssnitt och ytor. Vår studie visar att de skyddade laddningsbärarna på dessa ytor kan undersökas och att elektrisk ström leds mycket bra där, " säger Sepideh Izadi, doktorand i Schiernings forskargrupp och huvudförfattare till studien. Schierning tillägger att deras "speciella materialdesign har gjort det möjligt för oss att reta ut egenskaper som vi känner till från teorin men inte kunde se tidigare. Det är det som gör arbetet så speciellt för mig."

Studien genomfördes i nära samarbete med forskare från University of Duisburg-Essen och Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden. Först, materialproverna framställdes i forskargruppen av professor dr. Stephan Schulz från universitetet i Duisburg-Essen. Detta krävde mycket arbete:nanopartiklarna måste ha mycket rena ytor, till exempel, och inte reagera med omgivningen. "De måste också föras samman så att de håller fast vid varandra - som att bygga ett sandslott - men samtidigt, de får inte komprimeras så mycket att de skyddade transportkanalerna på gränssnitten går förlorade, säger Schierning.

Forskarna använde sedan olika metoder för att undersöka laddningstransporten på gränssnitten och ytorna. Tillsammans med kollegor från Leibniz Institute for Solid State and Materials Research i Dresden, till exempel, Bielefeld-forskarna mätte hur väl materialprovet leder ström under olika förhållanden, till exempel vid olika temperaturer eller med olika magnetfält. "Fynden är en tydlig indikation på transportmekanismer för en tredimensionell topologisk isolator, säger Schierning.

Undersökningarna avrundades med terahertzspektroskopi, för vilket forskargruppen av professor Dr. Martin Mittendorff från universitetet i Duisburg-Essen var ansvarig. I denna process, provet exciteras med elektromagnetiska vågor i terahertzområdet och den reflekterade strålningen mäts. Här, för, speciella fenomen observerades som bara förekommer i tredimensionella topologiska isolatorer - och även vid temperaturer så låga som omkring minus 70 grader Celsius, ganska höga temperaturer för en sådan effekt.

"Vår studie visar att tredimensionella topologiska isolatorer kan realiseras i makroskopisk skala och visa deras egenskaper vid jämförelsevis höga temperaturer. Detta är ett viktigt steg i grundforskningen, och en som också kan vara viktig för potentiella applikationer – men vi är fortfarande långt ifrån det, " säger Schierning. Tredimensionella topologiska isolatorer kan användas i kvantdatorer, till exempel.