Elektron motorvej inde i krystal

Fysikere ved universitetet i Würzburg har gjort en forbløffende opdagelse i en bestemt type topologiske isolatorer. Effekten skyldes strukturen af ​​de anvendte materialer. Forskerne har nu offentliggjort deres arbejde i tidsskriftet Videnskab .

Topologiske isolatorer er i øjeblikket det varme emne i fysik ifølge avisen Neue Zürcher Zeitung. For kun et par uger siden, deres betydning blev fremhævet igen, da Royal Swedish Academy of Sciences i Stockholm tildelte årets Nobelpris i fysik til tre britiske forskere for deres forskning i såkaldte topologiske faseovergange og topologiske faser af stof.

Topologiske isolatorer studeres også på afdelingerne for eksperimentel fysik II og teoretisk fysik I ved universitetet i Würzburg. Imidlertid, de fokuserer på en særlig version af isolatorer kaldet topologiske krystallinske isolatorer (TCI). I samarbejde med det polske videnskabsakademi i Warszawa og universitetet i Zürich, Würzburg -fysikere har nu opnået et stort gennembrud. De var i stand til at opdage nye elektroniske tilstande i disse isolatorer. Resultaterne af deres arbejde offentliggøres i det seneste nummer af Videnskab .

Trinkanter direkte elektroner

Det centrale resultat:Når krystallinske materialer spaltes, små atomisk flade terrasser dukker op ved de afskårne overflader, der adskilles fra hinanden med trinkanter. Inde i disse strukturer, ledende kanaler til elektriske strømme dannes, som er ekstremt smalle ved kun cirka 10 nm og overraskende robuste mod ydre forstyrrelser. Elektroner rejser på disse ledende kanaler med forskellige centrifugeringer i modsatte retninger - svarende til en motorvej med separate baner i de to retninger. Denne effekt gør materialerne interessante for teknologiske applikationer i fremtidige elektroniske komponenter såsom ultrahurtige og energieffektive computere.

"TCI'er er relativt enkle at producere, og de adskiller sig allerede fra konventionelle materialer på grund af deres særlige krystallinske struktur, " Dr. Paolo Sessi forklarer baggrunden for det nyligt offentliggjorte papir. Sessi er forsker ved Institut for Eksperimentel Fysik II og hovedforfatter af undersøgelsen. Desuden, disse materialer skylder deres særlige kvalitet deres elektroniske egenskaber:I topologiske materialer, spin -retningen bestemmer retningen, hvor elektronerne bevæger sig. Kort fortalt, "spin" kan tolkes som en magnetisk dipol, der kan pege i to retninger ("op" og "ned"). Derfor, op-spin elektroner i TCI'er bevæger sig i den ene og ned-spin elektroner i den anden retning.

Det handler om antallet af atomlag

"Men tidligere vidste forskere ikke, hvordan de skulle producere de ledende kanaler, der kræves til dette formål, "siger professor Matthias Bode, Afdelingsleder for Eksperimentel Fysik II og medforfatter til undersøgelsen. Det var tilfældigheder, der nu fik forskerne på rette vej:De opdagede, at meget smalle ledende kanaler opstår naturligt ved spaltning af bly-tin-selenid (PbSnSe), en krystallinsk isolator.

Trinkanter på fragmenternes overflader forårsager dette fænomen. De kan afbildes ved hjælp af en højopløselig scanningstunnelmikroskopi, eller mere præcist, højden af ​​de tilsvarende trinkanter. "Kanter, der bygger bro over et lige antal atomlag, er totalt iøjnefaldende. Men hvis kanterne spænder over et ulige antal atomlag, der skabes et lille område på omkring 10 nm i bredden, som har de elektroniske ledende kanalers egenskaber, vi ledte efter, " forklarer Sessi.

Mønster brydes i kanten

Understøttet af deres kolleger fra Institut for Teoretisk Fysik I og Universitetet i Zürich, de eksperimentelle fysikere var i stand til at kaste lys over oprindelsen af ​​disse nye elektroniske tilstande. For at forstå princippet, der kræves lidt rumlig sans:

"Den krystallinske struktur forårsager et layout af atomerne, hvor de forskellige elementer veksler som de sorte og hvide firkanter på et skakbræt, Matthias Bode forklarer. Dette vekslende sort-hvide mønster gælder for både firkanter, der ligger ved siden af, og firkanter placeret under og ovenpå hinanden.

Så hvis revnen i denne krystal løber gennem forskellige atomlag, mere end en kant oprettes der. Set ovenfra, hvide firkanter kan også støde op til andre hvide firkanter langs denne kant og sorte firkanter til andre sorte firkanter - eller identiske atomer til identiske atomer. Imidlertid, dette virker kun, hvis et ulige antal atomlag er ansvarlig for forskellen i højden på de to overflader.

Støttet af beregninger

"Beregninger viser, at denne forskydning ved overfladen faktisk er årsag til disse nye elektroniske tilstande, "siger Paolo Sessi. Desuden er de beviser, at fænomenet med de spinafhængige ledende kanaler, som er karakteristisk for topologiske materialer, forekommer også her.

Ifølge forskerne, denne egenskab gør især opdagelsen relevant for potentielle applikationer, fordi sådanne ledende kanaler på den ene side forårsager lavt ledningstab og på den anden side kan bruges direkte til at transmittere og behandle information inden for spintronik.

Imidlertid, flere spørgsmål skal besvares og udfordringer skal overvindes, før dette bliver virkelighed. For eksempel, forskerne er endnu ikke sikre på, hvilke afstande strømmen i de nyopdagede ledende kanaler kan transporteres. Også, for at blive implementeret i kredsløb, Der skulle udvikles metoder, der gør det muligt at skabe trinkanter med en defineret højde langs specificerede retninger.