Ny forskning kan revolutionere fremtiden for elektroniske enheder

Forskning ledet af universiteterne i St. Andrews og Tokyo afslører en ny forståelse for, hvordan man opretter topologiske elektroniske tilstande i faste stoffer, der kan sætte gang i udviklingen af ​​forbedrede materialer til hurtige og energieffektive elektroniske enheder. Resultaterne kan føre til nye typer computerchips, der kan være meget mere kraftfulde end dem, der findes i nutidens computere og smartphones.

Den måde, hvorpå elektroner opfører sig inde i et fast stof, styres af dets elektroniske struktur, et sammenflettet netværk af 'bånd', der definerer de tilladte energier og momenta for elektroner i det faste stof. Hvis den rigtige type bånd krydser hinanden, dette kan give anledning til interessant, og potentielt yderst nyttig, materialers fysiske egenskaber. For eksempel, det blev for nylig indset, at isolerede berøringspunkter for disse bånd kan stabiliseres ved visse krystallinske symmetrier, skabe såkaldte Dirac fermioner i bulk elektronisk struktur. Dette gør det muligt for elektroner i hovedparten af ​​krystallen at opføre sig som om de var masseløse partikler, effektivt en bulkanalog af det atom-tynde materiale grafen. Udover at være en spændende legeplads til at studere grundlæggende begreber om partikler i fysik, dette kan føre til ultrahøj mobilitet af ladningsbærere, en ejendom, der kunne bruges til at lave ekstremt gode ledere.

Hvis overfarten ikke er beskyttet, en anden spændende tilstand kaldet en 'topologisk isolator' kan stabiliseres. Her, hovedparten af ​​materialet opfører sig på samme måde som en normal elektrisk isolator, men dens overflade understøtter såkaldte 'topologiske overfladetilstande'-yderligere bånd, der danner beskyttede krydsningspunkter, der kun indeholder elektroner lokaliseret til materialets overflade. Praktisk set, disse overfladetilstande tilvejebringer en ledende skal omkring materialets bulk, som kan forblive intakte, selvom materialet har defekter eller skader. En elektronisk isolator kan derfor omdannes til en god leder på overfladen, med potentielle anvendelser i foreslåede elektroniske ordninger, der udnytter elektronens spin samt dets ladning.

I betragtning af både den grundlæggende og praktiske interesse for sådanne systemer, der har været en enorm indsats på det seneste for at identificere forbindelser, hvor denne slags stater kan findes. At udvikle et sæt vejledende principper for at opnå dette, et internationalt team af forskere fra Storbritannien, Asien og Europa har kombineret detaljeret teoretisk modellering med state-of-the-art eksperimentelle undersøgelser. Deres fund, offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer (27. november), demonstrere en meget generel mekanisme til generering af flere sæt topologiske overfladetilstande og tredimensionelle Dirac fermioner alle inden for det samme materiale. Forskerne fandt beviser for disse i seks separate forbindelser fra familien af ​​lagdelte overgangsmetalldichalcogenider, et materialesystem, der er blevet ekstremt undersøgt på grund af den brede vifte af nye fysiske faser, som de er vært for, fra ukonventionelle halvledere til superledere, og deres potentiale til at fungere som næste generations grafenanaloger.

Saeed Bahramy, fra University of Tokyo og RIKEN Center i Japan, der ledede det teoretiske arbejde, kommenterede:"Overgangsmetal -dichalcogenider er bedst kendt for deres unikke elektroniske, spintronic og valleytronic egenskaber. At vide, at de i sig selv kan være vært for sådanne nye topologiske faser, medfører nye muligheder for realisering af næste generations elektroniske enheder med avancerede funktionaliteter. "

Nøglen til forskernes fund er en forskel i, hvordan elektroner kan bevæge sig i forskellige retninger af krystallen, kombineret med en simpel rotationssymmetri, der kan beskytte nogle båndkrydsninger. Undersøgelsen viste, hvordan dette naturligt fører til dannelsen af ​​stablede sæt topologiske overfladetilstande og 3-D Dirac fermioner i overgangsmetal-dichalcogeniderne. Resultaterne bør ikke være begrænset til dette materialesystem. Lignende udgangsbetingelser kan findes i mange forskellige materialer, at øge den spændende udsigt, at de funktioner, der afdækkes her, faktisk er betydeligt mere almindelige i naturen, end man typisk antager.

Oliver Clark, fra School of Physics and Astronomy ved University of St Andrews, der ledede det eksperimentelle arbejde, tilføjer:"Antallet af ingredienser, du har brug for for at give disse funktioner mulighed for at opstå i et givet materiale, er meget lille, og hver af dem meget almindelige. Dette udvider derfor drastisk omfanget af mulige materialer, hvor du kan forvente at finde disse topologiske signaturer. "

Papirets allestedsnærværende dannelse af bulk-Dirac-kegler og topologiske overfladetilstande fra et enkelt orbitalmanifold i overgangsmetal-dichalcogenider af MS Bahramy, O J Clark et al. Er publiceret i tidsskriftet Naturmaterialer .