Fysikere tager et skridt tættere på at bygge en grafen-baseret topologisk isolator

I 2005 fysikerne Charles Kane og Eugene Mele i det kondenserede stof overvejede grafens skæbne ved lave temperaturer. Deres arbejde førte til opdagelsen af ​​en ny tilstand af stof kaldet en "topologisk isolator, "som ville indlede en ny æra inden for materialevidenskab.

"En topologisk isolator er et materiale, der er en isolator i dets indre, men som er stærkt ledende på overfladen, "sagde UC Santa Barbara assisterende fysikprofessor Andrea Young. I to dimensioner, en ideel topologisk isolator ville have "ballistisk" ledningsevne ved sine kanter, Young forklarede, hvilket betyder, at elektroner, der rejser gennem området, vil støde på nul modstand.

Ironisk, mens Kane og Meles arbejde ville føre til opdagelsen af ​​topologisk isolerende adfærd i en lang række materialer, deres oprindelige forudsigelse - om en topologisk isolator i grafen - er forblevet urealiseret.

Kernen i problemet er spin-orbit-kobling - en svag effekt, hvor elektronens spin interagerer med dens orbitale bevægelse omkring kernen. Kritisk over for alle topologiske isolatorer, spin-orbit-kobling er usædvanligt svag i grafen, således at enhver topologisk isolerende adfærd overdøves af andre effekter, der opstår fra overfladen, hvorpå grafenen er understøttet.

"Den svage spin-kredsløbskobling i grafen er en stor skam, "sagde postdoktorforsker Joshua Island, for i praksis har tingene ikke rigtig fungeret så godt for topologiske isolatorer i to dimensioner. "De todimensionale topologiske isolatorer, der hidtil er kendt, er uordnede og ikke særlig lette at arbejde med, " sagde Island. Konduktansen ved kanterne har en tendens til at aftage hurtigt med den afstand, elektronerne rejser, tyder på, at det langt fra er ballistisk. Realisering af en topologisk isolator i grafen, et ellers yderst perfekt todimensionelt materiale, kunne danne grundlag for ballistiske elektriske kredsløb med lav spredning eller danne materialesubstrat for topologisk beskyttede kvantebits.

Nu, i arbejde offentliggjort i tidsskriftet Natur , Ø, Young og deres samarbejdspartnere har fundet en måde at forvandle grafen til en topologisk isolator (TI). "Målet med projektet var at øge eller forbedre spin-orbit-koblingen i grafen, "hovedforfatter Island sagde, tilføjer, at der har været gjort forsøg gennem årene med begrænset succes. "En måde at gøre dette på er at placere et materiale, der har en meget stor spin-orbit-kobling i umiddelbar nærhed af grafenet. Håbet var, at ved at gøre dine grafenelektroner vil tage denne egenskab af det underliggende materiale, "forklarede han.

Det valgte materiale? Efter at have studeret flere muligheder, forskerne slog sig ned på et overgangsmetal dichalcogenid (TMD), bestående af overgangsmetallet wolfram og chalcogenet selen. Ligner grafen, wolfram diselenid findes i todimensionale monolag, bundet sammen af ​​van der Waals styrker, som er relativt svage og afstandsafhængige interaktioner mellem atomer eller molekyler. I modsætning til grafen, imidlertid, de tungere atomer i TMD fører til stærkere spin-orbit-kobling. Den resulterende enhed har grafen's ballistiske elektronledningsevne gennemsyret af den stærke spin-kredsløbskobling fra det nærliggende TMD-lag.

"Vi så en meget tydelig forbedring af den spin-kredsløbskobling, " sagde Island.

"Ved at tilføje spin-orbit kobling af den helt rigtige type, Joshua var i stand til at finde ud af, at dette faktisk fører til en ny fase, som næsten er topologisk isolerende, "Sagde Young. I den oprindelige idé, forklarede han, den topologiske isolator bestod af et monolag af grafen med en stærk spin-kredsløbskobling.

"Vi måtte bruge et trick, der kun var tilgængeligt i grafen-flerlag for at skabe den rigtige type spin-kredsløbskobling, " Young forklarede om deres eksperiment, som brugte et grafen -dobbeltlag. "Og så får du noget, der nærmer sig to topologiske isolatorer stablet oven på hinanden." Funktionelt, imidlertid, Øens enhed udfører såvel som andre kendte 2-D topologiske isolatorer-de altafgørende kanttilstande formerer sig i mindst flere mikrometer, meget længere end i andre kendte TI -materialer.

Desuden, ifølge Young, dette arbejde er et skridt tættere på at bygge en egentlig topologisk isolator med grafen. "Teoretisk arbejde har siden vist, at et grafen -trilag, fremstillet på samme måde, ville føre til en sand topologisk isolator. "

Mest vigtigt, enheder realiseret af Island og Young kan let indstilles mellem en topologisk isolerende fase og en almindelig isolator, som ikke har ledende kanttilstande.

"Du kan føre disse perfekte ledere rundt, hvor du vil, " han sagde, "Og det er noget, ingen har kunnet gøre med andre materialer."