Topologisk nanoelektronik

Topologiske isolatorer er materialer med forbløffende egenskaber:Elektrisk strøm flyder kun langs deres overflader eller kanter, der henviser til, at materialets indre opfører sig som en isolator. I 2007, Professor Laurens Molenkamp ved Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland, var den første til eksperimentelt at demonstrere eksistensen af ​​sådanne topologiske tilstande. Hans team opnåede dette skelsættende arbejde med kvantebrønde baseret på kviksølv og tellur (HgTe). Siden da, disse nye materialer har været håbet om en grundlæggende ny generation af komponenter, der, for eksempel, lover innovationer inden for informationsteknologi.

Fysikere på JMU er nu lykkedes for første gang at konstruere et væsentligt element for sådanne komponenter - en Quantum Point Contact (QPC). De præsenterer denne præstation i en nylig publikation i tidsskriftet Naturfysik .

Indespærring for topologiske tilstande

Kvantepunktskontakter er kvasi endimensionelle indsnævringer i ellers todimensionelle strukturer, der kun er få atomlag tynde. I topologiske HgTe kvantebrønde, hvor de ledende tilstande udelukkende er placeret i kanterne, disse kanttilstande er rumligt fusioneret ved QPC. Denne nærhed gør det muligt at undersøge potentielle interaktioner mellem kanttilstandene.

"Dette eksperiment kunne kun fungere på grund af et gennembrud i vores litografiske metoder. Det har gjort os i stand til at skabe utroligt små strukturer uden at beskadige det topologiske materiale. Jeg er overbevist om, at denne teknologi vil sætte os i stand til at finde imponerende, nye effekter i topologiske nanostrukturer i den nærmeste fremtid, sagde Molenkamp.

Unormal konduktansadfærd gennem interaktion

Ved hjælp af en sofistikeret fremstillingsproces, det er lykkedes JMU -fysikerne at strukturere flaskehalsen præcist og skånsomt. Dette teknologiske fremskridt gjorde det muligt for dem at funktionalisere systemets topologiske egenskaber.

I denne sammenhæng, teamet ledet af professorerne Laurens Molenkamp og Björn Trauzettel var i stand til for første gang nogensinde at demonstrere interaktionseffekter mellem de forskellige topologiske tilstande i et system ved hjælp af unormale konduktanssignaturer. Würzburg-forskerne tilskriver denne særlige adfærd for de analyserede topologiske QPC'er fysikken i endimensionelle elektroniske systemer.

Interagerende elektroner i én dimension

Hvis elektroniske korrelationer analyseres i en rumlig dimension, elektroner bevæger sig-i modsætning til to eller tre rumlige dimensioner-på en velordnet måde, fordi der ikke er mulighed for at "overhale" den førende elektron. Billedligt set, elektronerne i dette tilfælde opfører sig som perler på en kæde.

Denne særlige egenskab ved endimensionelle systemer fører til interessante fysiske fænomener. Trauzettel siger:"Samspillet mellem stærk Coulomb -interaktion og spin -kobling er sjælden. Jeg forventer derfor, at dette system vil give fundamentale opdagelser i de kommende år."

Udsigter til fremtidig forskning

Topologiske QPC'er er en elementær komponent for mange applikationer, som er blevet forudsagt i teorien i de senere år.

Et særligt fremtrædende eksempel af denne art er den mulige realisering af Majorana fermioner, som den italienske fysiker Ettore Majorana forudsagde tilbage i 1937. Et lovende anvendelsespotentiale i forbindelse med topologiske kvantecomputere tilskrives disse ophidselser.

Til dette formål, det er af stor betydning ikke kun at opdage Majorana fermioner, men også for at kunne kontrollere og manipulere dem efter behag. Den topologiske QPC, først implementeret på JMU Würzburg, giver et spændende perspektiv i denne henseende.