Forskere afdækker nye muligheder for at finde en unik klasse af isolatorer

For det sidste årti, forskere har søgt topologiske isolatorer, materialer, der er isolerende på indersiden, men leder strøm på deres overflader. Selvom det først blev forudsagt omkring 2005, meget få virkelige eksempler er fundet til dato. Topologiske isolatorer forventes at have vidtrækkende applikationer, herunder energieffektiv elektronik og kvanteberegning-deres særlige egenskaber tillader overfladestrømmen at flyde frit, selv i tilfælde af defekter eller forstyrrelser.

Indtil nu, forskere har ledt efter topologiske isolatorer blandt krystaller eller andre materialer, hvis atomer er arrangeret på en regelmæssig måde. En ny undersøgelse, imidlertid, forudser, at topologiske isolatorer også kan findes blandt amorfe materialer, såsom nogle former for glas, hvor atomer er tilfældigt arrangeret.

Forudsigelsen, baseret på computermodeller, åbner nye veje i jagten på disse materialer. "Nu er der mange flere muligheder for at finde topologiske isolatorer, "siger seniorforfatter Vijay Shenoy fra Indian Institute of Science (IISc). Amorfe topologiske isolatorer kan også være lettere at lave end krystallinske, som kræver streng kontrol, foreslår han. Shenoy og kandidatstuderende Adhip Agarwala gennemførte undersøgelsen offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Topologiske isolatorer skylder deres overlegne evner tilstedeværelsen af ​​særlige energitilstande på deres overflader. For at strøm kan strømme i et materiale, elektroner skal springe fra valensbåndets energitilstand til en højere tilstand kaldet ledningsbåndet. Hvis afstanden mellem båndene er meget stor, som findes i normale isolatorer, elektroner kan ikke hoppe, og strøm flyder ikke. På indersiden, topologiske isolatorer har et stort båndgab og leder ikke strøm. På deres overflade, imidlertid, elektroner indtager visse "mid-gap" -tilstande mellem valens- og ledningsbåndene, som giver dem mulighed for at bære strøm.

Da disse materialer først blev forudsagt, teorien var baseret på den antagelse, at materialestrukturen skal være krystallinsk, siger Shenoy. "Efter lidt narring, vi fandt ud af, at dette ikke er en afgørende antagelse. Det er ikke en nødvendig betingelse for dig at opnå en topologisk fase, " han siger.

Shenoy og Agarwala brugte computermodeller til at "konstruere" 2-D og 3-D strukturer, hvor steder er arrangeret tilfældigt, og elektroner kan hoppe mellem dem. Derefter justerede de visse parametre, såsom afstand mellem steder og afstand mellem energibånd. Under visse betingelser, de fandt ud af, at materialerne viste mid-gap-tilstande på overfladen og andre matematiske signaturer fundet i topologiske isolatorer, trods deres tilfældige struktur.

"Folk har kun set på krystallinske materialer. Og de har ikke fundet særlig gode topologiske isolatorer, "siger Agarwala." Selv teoretisk set, folk kan nu se på mange, mange stoffer, ikke kun amorfe materialer. Vi har vist for 'worst-case scenario', hvor strukturen er helt tilfældig. Vi kan tænke på mange flere materialer mellem krystallinsk og amorft, og spørg om topologiske isolatorer kan eksistere. "

Forskere kunne også se på andre måder at lave topologiske isolatorer, forfatterne foreslår. En mulighed, for eksempel, er tilfældigt at tilføje atomer med passende energiniveauer til overfladen af ​​en eksisterende isolator for at give anledning til topologiske tilstande.

Topologiske isolatorer har særlige egenskaber, der gør dem attraktive for elektronik. For eksempel, den retning, hvor overfladeelektronerne drejer, er låst i den retning, hvor de bevæger sig. Denne låsning forhindrer, at defekter eller urenheder ændrer elektronens spin og derfor slår den af ​​dens vej, dermed minimere nuværende tab.

"Et af de aktive områder inden for kondenseret fysik og materialevidenskab er at finde sådanne materialer, "siger Shenoy." Hvis den findes, det vil være en vigtig opdagelse og kunne køre den næste runde elektronik. "