Virkelighedstjek for topologiske isolatorer

Topologiske isolatorer, en klasse materialer, der er blevet undersøgt i lidt over et årti, er blevet bebudet som et nyt 'undermateriale', som har grafen. Men indtil videre, topologiske isolatorer har ikke helt levet op til de forventninger, som teoretiske undersøgelser giver næring til. Fysikere fra Groningen University har nu en idé om hvorfor. Deres analyse blev offentliggjort den 27. juli i tidsskriftet Fysisk gennemgang B .

Topologiske isolatorer er materialer, der isolerer i bulk, men tillader ladning at strømme hen over overfladen. Disse ledende tilstande på overfladen stammer fra ordningsmønstre i de tilstande, hvor elektroner opholder sig, som er forskellige fra almindelige materialer. Denne ordning er knyttet til det fysiske begreb 'topologi', analog med den, der bruges i matematik. Denne ejendom giver anledning til meget robuste stater med nogle særlige egenskaber.

Tunge atomer

For en, deres spin - en magnetisk egenskab af elektroner, der kan have værdierne 'op' eller 'ned' - er låst til deres bevægelse. "Det betyder, at elektroner, der bevæger sig til højre, har spin ned, og dem, der bevæger sig til venstre, har snurret op ", forklarer første forfatter til undersøgelsen Eric de Vries, Ph.d. -studerende i "Spintronics of Functional Materials 'forskningsgruppe ledet af sin vejleder prof. Dr. Tamalika Banerjee. Denne gruppe er en del af Zernike Institute for Advanced Materials." Men det betyder også, at når du injicerer elektroner med spin op i sådan en topologisk isolator, de vil rejse til venstre! "Topologiske isolatorer kan derfor være meget nyttige i realiseringen af ​​spintronics:elektronik baseret på den kvantiserede spin -værdi frem for ladningen af ​​elektroner.

Topologiske isolators særlige egenskaber forudsiges af den teoretiske analyse af overfladestrukturer af disse materialer, lavet af krystaller af tunge atomer. Men forsøg viser blandede resultater, som ikke helt lever op til de teoretiske forudsigelser. "Vi spekulerede på, hvorfor så vi udtænkte eksperimenter for at undersøge opførsel af overfladestatens elektroner. Specifikt, vi ville se, om transport virkelig er begrænset til overfladen, eller hvis det også er til stede i hovedparten af ​​materialet. "

Overraskende

Tidligere eksperimenter fra gruppen, hvor de brugte ferromagneter til at detektere spins af elektroner genereret i den topologiske isolator, var overraskende, siger De Vries. "Vi demonstrerede, at en spænding, der formodentlig stammer fra spindetektering, kan stamme fra andre faktorer end låsning af elektron -spin til dets bevægelse. Ved hjælp af forskellige geometrier, vi viste, at artefakter relateret til vildfarne magnetfelter, der genereres af ferromagneterne, kan efterligne lignende spin-spændinger. "Denne observation kan føre til en ny vurdering af nogle offentliggjorte resultater.

Denne gang, de brugte en anden tilgang. "Vi analyserede de topologiske isolatorer ved hjælp af stærke magnetfelter. Dette får elektroner til at svinge i transportkanaler." De Vries gik til det nationale High Field Magnet Laboratory på Radboud University Nijmegen, hvor en 33-Tesla magnet er tilgængelig, en af ​​de stærkere magneter i verden. "Andre har foretaget lignende tests med svagere magneter, men disse er ikke følsomme nok til at afsløre de yderligere transportkanaler, der sameksisterer med overfladetilstandene. "De Vries's eksperimenter viste, at en betydelig del af ladningstransporten fandt sted i bulkfasen af ​​materialet, og ikke kun på overfladen.

Transportkanaler

Årsagen til dette, forklarer De Vries, er den topologiske isolators ufuldkomne krystalstruktur. "Nogle gange mangler der atomer i krystalstrukturen. Dette resulterer i frit bevægelige elektroner. Disse begynder at lede som nye transportkanaler, generere elektrisk strøm i hovedparten af ​​materialet. "

Så hvorfor har ingen noteret dette før? De Vries understreger, at fortolkning af transportmålinger foretaget på topologiske isolatorer kan være vanskelig. "Vi oplevede dette i vores tidligere eksperimenter. Vores budskab er, at ekstrem omhu er nødvendig ved fortolkningen af ​​eksperimentelle observationer for enheder baseret på disse materialer." Også, eksperimenter, der kan føre til klarere konklusioner, kræver meget høje magnetfelter i specialiserede laboratorier.

Fejl

Resultaterne peger på en måde at forbedre topologiske isolatorer. "Nøglen er at dyrke krystallerne uden manglende atomer. En anden løsning er at fylde hullerne, for eksempel med calciumioner, der binder de frie elektroner. Men det kan forårsage andre forstyrrelser i elektronernes mobilitet. "I ti år har topologiske isolatorer var alle raseri. De blev sammenlignet med vidundermaterialet grafen. Opdagelsen, at i praksis, topologiske isolatorer har fejl, der fungerer som en realitetstjek. De Vries:"Vi er nødt til at studere og forstå interaktionen mellem overfladetilstandene og massematerialet meget mere detaljeret."