I sina experiment staplade forskarna monolager WTe2 med Cr2 Ge2 Te6 , eller CGT. Kredit:Shi lab/UC Riverside
En forskargrupp ledd av en fysiker vid University of California, Riverside, har visat ett nytt magnetiserat tillstånd i ett monolager av volframditellurid, eller WTe2 , ett nytt kvantmaterial. Kallas en magnetiserad eller ferromagnetisk quantum spin Hall-isolator, detta material med en atoms tjocklek har en isolerande insida men en ledande kant, vilket har viktiga konsekvenser för att kontrollera elektronflödet i nanoenheter.
I en typisk ledare flyter elektrisk ström jämnt överallt. Isolatorer, å andra sidan, leder inte lätt elektricitet. Vanligtvis monolager WTe2 är en speciell isolator med en ledande kant; magnetisering av den ger den mer ovanliga egenskaper.
"Vi staplade monolager WTe2 med en isolerande ferromagnet med flera atomära lagertjocklekar—av Cr2 Ge2 Te6 , eller helt enkelt CGT—och fann att WTe2 hade utvecklat ferromagnetism med en ledande kant, säger Jing Shi, en framstående professor i fysik och astronomi vid UCR, som ledde studien. magnetfält."
Shi förklarade att när endast kanten leder elektricitet är storleken på materialets inre oväsentlig, vilket gör att elektroniska enheter som använder sådana material kan göras mindre - faktiskt nästan lika liten som den ledande kanten. Eftersom enheter som använder detta material skulle förbruka mindre ström och avleda mindre energi, skulle de kunna göras mer energieffektiva. Batterier som använder den här tekniken skulle till exempel hålla längre.
Studieresultat visas i Nature Communications .
För närvarande fungerar tekniken endast vid mycket låga temperaturer; CGT är ferromagnetisk vid cirka 60 K (eller -350 F). Målet med framtida forskning skulle vara att få tekniken att fungera vid högre temperaturer, vilket möjliggör många nanoelektroniska applikationer såsom icke-flyktiga minneschips som används i datorer och mobiltelefoner.
De ljusa sicksacklinjerna indikerar ledningsegenskaper precis vid kanterna av monoskiktet WTe2 . Kredit:Cui Lab/UC Riverside
Enligt Shi består den ledande kanten i idealiska quantum spin Hall-isolatorer av två smala kanaler som löper bredvid varandra, liknar en tvåfilig motorväg med bilar som kör i motsatta riktningar. Elektroner som strömmar i en kanal kan inte gå över till den andra kanalen, sa Shi, om inte föroreningar införs. Den ledande kanten i monolager WTe2 visualiserades först i en tidigare studie av medförfattaren Yongtao Cui, en docent i fysik och astronomi vid UCR och Shis kollega.
"Det är två kanaler per kant," sa Shi. "Om du eliminerar en kanal, slutar du med en ström som flyter bara i en riktning, vilket ger dig vad som kallas en kvantavvikande Hall-isolator, ännu ett speciellt kvantmaterial. En sådan isolator har bara en motorvägsfil, för att använda motorvägen analogi. Denna isolator transporterar elektroner på ett helt spinnpolariserat sätt."
Å andra sidan den magnetiserade WTe2 som Shi och hans kollegor experimenterade med kallas en ferromagnetisk kvantspin Hall-isolator, som har en ledande kant med delvis spinnpolariserade elektroner.
"I de två kanalerna av ferromagnetiska kvantspinn Hall-isolatorer har vi ett ojämnt antal elektroner som strömmar i motsatta riktningar vilket resulterar i en nettoström, som vi kan styra med en extern magnet," sa Shi.
Enligt Shi, kvantmaterial som WTe2 är framtiden för nanoelektronik.
"CHIPS-lagen kommer att uppmuntra forskare att komma med nya material vars egenskaper är överlägsna de hos nuvarande kiselmaterial", sa han. + Utforska vidare
