Sådan kontrolleres friktion i topologiske isolatorer

Topologiske isolatorer er innovative materialer, der leder elektricitet på overfladen, men fungerer som isolatorer på indersiden. Fysikere ved universitetet i Basel og Istanbuls tekniske universitet er begyndt at undersøge, hvordan de reagerer på friktion. Deres forsøg viser, at varmen, der genereres gennem friktion, er væsentligt lavere end i konventionelle materialer. Dette skyldes en ny kvantemekanisme, rapporterer forskerne i det videnskabelige tidsskrift Naturmaterialer .

Takket være deres unikke elektriske egenskaber, topologiske isolatorer lover mange innovationer i elektronik- og computerindustrien, samt i udviklingen af ​​kvantecomputere. Det tynde overfladelag kan lede elektricitet næsten uden modstand, hvilket resulterer i mindre varme end traditionelle materialer. Dette gør dem af særlig interesse for elektroniske komponenter.

Desuden, i topologiske isolatorer, den elektroniske friktion - dvs. den elektronmedierede omdannelse af elektrisk energi til varme - kan reduceres og kontrolleres. Forskere fra universitetet i Basel, det schweiziske nanovidenskabsinstitut (SNI) og Istanbuls tekniske universitet har nu været i stand til eksperimentelt at verificere og demonstrere præcis, hvordan overgangen fra energi til varme gennem friktion opfører sig - en proces kendt som dissipation.

Måler friktion med et pendul

Holdet ledet af professor Ernst Meyer ved Institut for Fysik ved Universitetet i Basel undersøgte virkningerne af friktion på overfladen af ​​en bismuthtellurid topologisk isolator. Forskerne brugte et atomkraftmikroskop i pendultilstand. Her, den ledende mikroskopspids lavet af guld svinger frem og tilbage lige over den todimensionelle overflade af den topologiske isolator. Når en spænding påføres mikroskopspidsen, pendulets bevægelse inducerer en lille elektrisk strøm på overfladen.

I konventionelle materialer, noget af denne elektriske energi omdannes til varme gennem friktion. Resultatet på den ledende overflade af den topologiske isolator ser meget anderledes ud:tabet af energi gennem omdannelsen til varme reduceres betydeligt.

"Vores målinger viser tydeligt, at ved visse spændinger er der praktisk talt ingen varmegenerering forårsaget af elektronisk friktion, " forklarer Dr. Dilek Yildiz, der udførte dette arbejde inden for SNI Ph.D. Skole.

En ny mekanisme

Forskerne var også i stand til for første gang at observere en ny kvantemekanisk spredningsmekanisme, der kun opstår ved bestemte spændinger. Under disse forhold, elektronerne migrerer fra spidsen gennem en mellemtilstand ind i materialet - svarende til tunneleffekten i scanningstunnelmikroskoper. Ved at regulere spændingen, forskerne var i stand til at påvirke spredningen. "Disse målinger bekræfter det store potentiale i topologiske isolatorer, da elektronisk friktion kan styres målrettet, " tilføjer Meyer.