Forskning gør topologiske isolatorer magnetiske langt over stuetemperaturer

I elektronikens verden, hvor søgen altid er efter mindre og hurtigere enheder med uendelig batterilevetid, topologiske isolatorer (TI) har et pirrende potentiale.

I et papir, der skal offentliggøres i Videnskab fremskridt i juni, Jing Shi, professor i fysik og astronomi ved University of California, Riverside, og kolleger ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og Arizona State University rapporterer, at de har skabt en TI -film med kun 25 atomer tyk, der klæber til en isolerende magnetisk film, skabe en "heterostruktur". Denne heterostruktur gør TI -overflader magnetiske ved stuetemperaturer og højere, til over 400 Kelvin eller mere end 720 grader Fahrenheit.

Overfladerne af TI er kun få atomer tykke og har brug for lidt strøm til at lede elektricitet. Hvis TI -overflader er lavet magnetiske, strøm flyder kun langs kanterne af enhederne, kræver endnu mindre energi. Takket være denne såkaldte quantum anomalous Hall-effekt, eller QAHE, en TI -enhed kan være lille og dens batterier langvarige, Sagde Shi.

Ingeniører elsker QAHE, fordi det gør enheder meget robuste, det er, hjertelig nok til at stå imod fejl eller fejl, så en defekt applikation, for eksempel, krasjer ikke et helt operativsystem.

Topologiske isolatorer er de eneste materialer lige nu, der kan opnå den eftertragtede QAHE, men først efter at de er magnetiseret, og deri ligger problemet:TI -overflader er ikke naturligt magnetiske.

Forskere har været i stand til at opnå magnetisme i TI ved doping, dvs. indføring af magnetiske urenheder i materialet, hvilket også gjorde det mindre stabilt, Sagde Shi. Dopingen tillod TI -overflader at demonstrere QAHE, men kun ved ekstremt lave temperaturer - et par hundrededele af graden i Kelvin over absolut nul, eller omkring 459 grader under nul Fahrenheit - ikke ligefrem befordrende for bred populær brug.

Mange forskere bebrejdede dopingen for kun at få QAHE til at forekomme ved meget lave temperaturer, Shi sagde, hvilket fik forskere til at begynde at lede efter en anden teknik til at gøre TI -overflader magnetiske.

Gå ind i UCR's SHINES (Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems) lab, et institut for energifinansieret energigrænseforskningscenter ved UCR, som Shi leder og fokuserer på at udvikle film, kompositter og andre måder at høste eller bruge energi mere effektivt fra nano (tænk virkelig lille, som i molekylær eller atomstørrelse) teknologi.

I 2015, Shis laboratorium skabte først heterostrukturer af magnetiske film og et-atom-tykke grafenmaterialer ved hjælp af en teknik kaldet laser molekylær stråle epitaxy. De samme atomisk flade magnetiske isolatorfilm er kritiske for både grafen og topologiske isolatorer.

"Materialerne skal være i intim kontakt for at TI kan erhverve magnetisme, "Sagde Shi." Hvis overfladen er ru, der vil ikke være god kontakt. Vi er gode til at gøre denne magnetfilm atomisk flad, så ingen ekstra atomer stikker ud. "

UCR's laboratorium sendte derefter materialerne til sine samarbejdspartnere på MIT, der brugte molekylær stråle epitaxy til at bygge 25 atomære TI lag oven på magnetpladerne, skabe heterostrukturer, som derefter blev sendt tilbage til UCR for fremstilling og måling af enheder.

Mere forskning er nødvendig for at få TI til at vise den kvanteafvigelige Hall -effekt (QAHE) ved høje temperaturer, og derefter gøre materialerne tilgængelige til miniaturisering inden for elektronik, Shi sagde, men SHINES laboratoriefund viser, at ved at tage heterostrukturer tilgang, TI -overflader kan gøres magnetiske - og robuste - ved normale temperaturer.

Gør mindre, hurtigere enheder fungerer på samme eller højere effektivitetsniveauer som deres større, langsommere forgængere "sker ikke naturligt, "Sagde Shi." Ingeniører arbejder hårdt på at få alle enhederne til at fungere på samme måde, og det kræver meget teknik at komme dertil. "