Nye isolatorer med ledende kanter

Fysikere ved universitetet i Zürich forsker i en ny klasse af materialer:Topologiske isolatorer af højere orden. Kanterne af disse krystallinske faste stoffer leder elektrisk strøm uden dissipation, mens resten af ​​krystallen forbliver isolerende. Dette kan være nyttigt til applikationer inden for halvlederteknologi og til at bygge kvantecomputere.

Topologi undersøger egenskaberne af genstande og faste stoffer, der er beskyttet mod forstyrrelser og deformationer. Hidtil kendte materialer omfatter topologiske isolatorer, som er krystaller, der isolerer på indersiden, men leder elektrisk strøm på deres overflade. De ledende overflader er topologisk beskyttet, hvilket betyder, at de ikke uden videre kan bringes i en isolerende tilstand.

Teoretiske fysikere ved universitetet i Zürich har nu forudsagt en ny klasse af topologiske isolatorer med ledende egenskaber på kanterne af krystaller i stedet for på overfladen. Forskerholdet, består af forskere fra UZH, Princeton University, Donostia International Physics Center og Max Planck Institute of Microstructure Physics i Halle, døbt den nye materialeklasse "topologiske isolatorer af højere orden". Den ekstraordinære robusthed af de ledende kanter gør dem særligt interessante:Strømmen af ​​topologiske elektroner kan ikke stoppes af uorden eller urenheder. Hvis en ufuldkommenhed kommer i vejen for strømmen, det flyder simpelthen rundt om urenheden.

Ud over, krystalkanterne behøver ikke at være specielt forberedt til at lede elektrisk strøm. Hvis krystallen går i stykker, de nye kanter leder automatisk også strøm. "Det mest spændende aspekt er, at elektricitet i det mindste i teorien kan ledes uden nogen form for dissipation, siger Titus Neupert, professor ved Institut for Fysik ved UZH. "Man kunne tænke på krystalkanterne som en slags motorvej for elektroner. De kan ikke bare lave en U-vending." Denne egenskab med dissipationsfri ledningsevne, ellers kendt fra superledere ved lave temperaturer, deles ikke med de tidligere kendte topologiske isolatorkrystaller, der har ledende overflader, men er specifik for de højere-ordens topologiske krystaller.

Fysikernes undersøgelse bygger stadig mest på teoretiske aspekter. De har foreslået tintellurid som den første forbindelse, der viser disse nye egenskaber. "Flere materialekandidater skal identificeres og undersøges i eksperimenter, " siger Neupert. Forskerne håber, at nanotråde lavet af topologiske isolatorer af højere orden i fremtiden kan bruges som ledende baner i elektriske kredsløb. De kan kombineres med magnetiske og superledende materialer og bruges til at bygge kvantecomputere.