Gennembrud inden for spintronics

Den er ultratynd, elektrisk ledende i kanten og meget isolerende indeni - og alt det ved stuetemperatur:Fysikere fra universitetet i Würzburg har udviklet et lovende nyt materiale.

Materialeklassen af ​​topologiske isolatorer er i øjeblikket i fokus for international faststofforskning. Disse materialer er elektrisk isolerende indeni, fordi elektronerne opretholder stærke bindinger til atomerne. På deres overflader, imidlertid, de er ledende på grund af kvanteeffekter.

Derudover elektronens spin-orientering er i stand til at overføre information meget effektivt. Den er beskyttet mod spredning, når den bevæger sig gennem disse overfladekanaler. Med disse egenskaber, topologiske isolatorer kunne gøre en gammel drøm til virkelighed - direkte spin-baseret databehandling, eller såkaldt spintronics.

Tidligere koncepter virker kun i køleskabet

Indtil nu, imidlertid, der har været en stor hindring for at bruge sådanne overfladekanaler til tekniske anvendelser:"Når temperaturen af ​​en topologisk isolator stiger, alle kvanteeffekter vaskes ud og med dem, de særlige egenskaber ved de elektrisk ledende kanter, Dr. Jörg Schäfer forklarer; han er privatunderviser ved Chair of Experimental Physics 4 ved University of Würzburg.

Af denne grund, alle kendte topologiske isolatorer skal afkøles til meget lave temperaturer – sædvanligvis ned til minus 270 grader Celsius – for at kunne studere kantkanalernes kvanteegenskaber. "Selvfølgelig, sådanne forhold er ikke særlig praktiske til potentielle anvendelser såsom ultrahurtig elektronik eller kvantecomputere, " siger fysikeren.

Et team af Würzburg-fysikere har nu præsenteret et helt nyt koncept for elegant at omgå dette problem. Forskerne har offentliggjort deres resultater i det aktuelle nummer af Videnskab .

Målrettet materialedesign

Würzburg-gennembruddet er baseret på en særlig kombination af materialer:en ultratynd film bestående af et enkelt lag af vismutatomer aflejret på et siliciumcarbidsubstrat.

Hvad gør denne kombination så speciel? "Den krystallinske struktur af siliciumcarbidsubstratet får bismuth-atomerne til at arrangeres i en honeycomb-geometri, når bismuthfilmen deponeres - meget lig strukturen af ​​'mirakelmaterialet' grafen, som består af kulstofatomer", Professor Ralph Claessen forklarer. På grund af denne analogi, den bølgetynde film kaldes "bismuthen".

Men det har en afgørende forskel sammenlignet med grafen:"Bismuthen danner en kemisk binding til substratet, " siger professor Ronny Thomale. Det spiller en central rolle i det nye koncept at give materialet de ønskede elektroniske egenskaber. Dette fremhæves af computerbaseret modellering:"Hvorimod almindelig vismut er et elektrisk ledende metal, honeycomb monolaget forbliver en tydelig isolator, selv ved stuetemperatur og langt derover, " tilføjer fysikeren. For at skabe denne meget ønskede starttilstand kunstigt, de tunge bismuth-atomer er genialt kombineret med det lige så isolerende siliciumcarbid-substrat.

Elektronmotorvej på kanten

De elektroniske ledningskanaler kommer i spil ved kanten af ​​et stykke bismuthen. Det er her de metalliske kantkanaler er placeret, som skal bruges til fremtidens databehandling. Dette er ikke kun teoretisk konkluderet af Würzburg-forskerholdet, det er også blevet bevist i eksperimenter med mikroskopiske teknikker.

For at udnytte kantkanalerne til elektroniske komponenter, det er afgørende, at der ikke sker kortslutning gennem indersiden af ​​det topologiske materiale eller gennem substratet. "Tidligere topologiske isolatorer krævede ekstrem afkøling for at sikre dette, " Jörg Schäfer forklarer. Det nye bismuthen-koncept gør denne indsats overflødig:Filmens og substratets distinkte isolerende adfærd eliminerer enhver forstyrrende kortslutning.

Würzburg-forskerne mener, at det er dette trin for at få materialet til at fungere ved stuetemperatur, hvilket vil gøre opdagelsen interessant for potentielle anvendelser under realistiske forhold. "Sådanne ledningskanaler er beskyttet topologisk. Det betyder, at de kan bruges til at transmittere information praktisk talt uden tab, " siger Ralph Claessen. Denne tilgang gør datatransmission med få elektronspin tænkelig. Derfor, Würzburg-teamet forventer store fremskridt inden for effektiv informationsteknologi.