Røntgenteknik giver et nyt vindue til eksotiske egenskaber af et atomtyndt materiale

Et internationalt forskerteam, arbejder på Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley, fremstillede et atom tyndt materiale og målte dets eksotiske og holdbare egenskaber, der gør det til en lovende kandidat til en spirende gren af ​​elektronik kendt som "spintronics".

Materialet-kendt som 1T'-WTe2-bygger bro mellem to blomstrende forskningsområder:såkaldte 2-D-materialer, som omfatter monolagsmaterialer såsom grafen, der opfører sig på andre måder end deres tykkere former; og topologiske materialer, hvor elektroner kan zip rundt på forudsigelige måder uden modstand og uanset defekter, der normalt ville hæmme deres bevægelse.

I kanterne af dette materiale, elektronernes spin - en partikelegenskab, der fungerer lidt som en kompassnål, der peger enten nord eller syd - og deres momentum er tæt knyttet og forudsigelig.

Dette seneste eksperimentelle bevis kan øge materialets anvendelse som testperson for næste generations applikationer, såsom en ny race af elektroniske enheder, der manipulerer sin spin-ejendom til at transportere og lagre data mere effektivt end nutidige enheder. Disse egenskaber er grundlæggende for spintronics.

Materialet kaldes en topologisk isolator, fordi dets indre overflade ikke leder elektricitet, og dets elektriske ledningsevne (strømmen af ​​elektroner) er begrænset til dets kanter.

"Dette materiale skulle være meget nyttigt til spintronikundersøgelser, "sagde Sung-Kwan Mo, en fysiker og personaleforsker ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), der var med til at lede undersøgelsen, udgivet i dag i Naturfysik .

"Elektronstrømmen er fuldstændig forbundet med retningen af ​​deres spins, og er kun begrænset til materialets kanter, "Sagde Mo." Elektronerne vil bevæge sig i en retning, og med en type spin, hvilket er en nyttig kvalitet for spintronics -enheder. "Sådanne enheder kunne tænkes at bære data mere flydende, med mindre strømbehov og varmeopbygning, end det er typisk for nutidens elektroniske enheder.

"Vi er begejstrede for, at vi har fundet en anden familie af materialer, hvor vi både kan udforske fysikken i 2-D topologiske isolatorer og lave eksperimenter, der kan føre til fremtidige applikationer, "sagde Zhi-Xun Shen, en professor i fysiske videnskaber ved Stanford University og rådgiveren for videnskab og teknologi ved SLAC National Accelerator Laboratory, der også var leder af forskningsindsatsen. "Denne generelle materialeklasse er kendt for at være robust og holde godt under forskellige eksperimentelle forhold, og disse kvaliteter bør give feltet mulighed for at udvikle sig hurtigere, " han tilføjede.

Materialet blev fremstillet og undersøgt ved ALS, en røntgenforskningsfacilitet kendt som en synkrotron. Shujie Tang, en gæstende postdoktor ved Berkeley Lab og Stanford University, og en medlederforfatter i undersøgelsen, var medvirkende til at dyrke 3-atom-tykke krystallinske prøver af materialet i et stærkt renset, vakuumforseglet rum ved ALS, ved hjælp af en proces kendt som molekylær stråle epitaxy.

Prøverne med høj renhed blev derefter undersøgt ved ALS ved hjælp af en teknik kendt som ARPES (eller vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi), som giver en kraftig sonde af materialers elektronegenskaber.

"Efter at vi havde forfinet vækstopskriften, vi målte det med ARPES. Vi genkendte straks den karakteristiske elektroniske struktur af en 2-D topologisk isolator, "Tang sagde, baseret på teori og forudsigelser. "Vi var de første, der udførte denne type målinger på dette materiale."

Men fordi den ledende del af dette materiale, i yderste kant, målt kun få nanometer tynde - tusinder af gange tyndere end røntgenstrålens fokus - var det svært at positivt identificere alle materialets elektroniske egenskaber.

Så samarbejdspartnere ved UC Berkeley udførte yderligere målinger i atomskala ved hjælp af en teknik kendt som STM, eller scanning af tunnelmikroskopi. "STM målte sin kanttilstand direkte, så det var et virkelig vigtigt bidrag, "Sagde Tang.

Forskningsindsatsen, som begyndte i 2015, involverede mere end to dusin forskere inden for en række forskellige discipliner. Forskergruppen havde også fordel af beregningsarbejde ved Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

To-dimensionelle materialer har unikke elektroniske egenskaber, der betragtes som nøglen til at tilpasse dem til spintronics-applikationer, og der er en meget aktiv verdensomspændende F &U -indsats fokuseret på at skræddersy disse materialer til specifikke anvendelser ved selektivt at stable forskellige typer.

"Forskere forsøger at smøre dem oven på hinanden for at finjustere materialet, som de vil - som legoklodser, "Sagde Mo." Nu hvor vi har eksperimentelt bevis på dette materiales egenskaber, vi vil stable det sammen med andre materialer for at se, hvordan disse egenskaber ændres. "

Et typisk problem ved at skabe sådanne designermaterialer ud fra atomtynde lag er, at materialer typisk har defekter i nanoskala, som kan være vanskelige at fjerne, og som kan påvirke deres ydeevne. Men fordi 1T'-WTe2 er en topologisk isolator, dets elektroniske egenskaber er i sagens natur modstandsdygtige.

"På nanoskalaen er det måske ikke en perfekt krystal, "Sagde Mo, "men skønheden ved topologiske materialer er, at selv når du har mindre end perfekte krystaller, kantstaterne overlever. Ufuldkommenhederne bryder ikke de centrale egenskaber. "

Fremadrettet, forskere sigter mod at udvikle større prøver af materialet og at opdage, hvordan man selektivt kan justere og fremhæve specifikke egenskaber. Udover sine topologiske egenskaber, dets "søstermaterialer, "som har lignende egenskaber og også blev undersøgt af forskergruppen, er kendt for at være lysfølsomme og har nyttige egenskaber til solceller og til optoelektronik, som kontrollampe til brug i elektroniske apparater.