Forskere afslører en topologisk isolator med stort båndgab

Siden deres opdagelse i 2006, topologiske isolatorer er blevet bredt diskuteret som en lovende vej til energieffektiv elektronik. Deres unikke kantstater med høj mobilitet har en form for "kvantepanser", der beskytter dem mod elektronspredningsbegivenheder, der ellers ville producere spildvarme.

Desværre, praktiske anvendelser af topologiske isolatorer er blevet stærkt begrænset af de små elektroniske båndgab i de fleste kendte materialer. Det betyder, at mens de fungerer godt ved meget lave temperaturer ved at producere meget mobile overfladeelektroner, ved højere temperaturer, hovedparten af ​​elektroniske stater dominerer, og disse er ikke bedre end i andre traditionelle halvledere.

Nu, et team ledet af professor Xiaolin Wang (UOW) i samarbejde med Michael Fuhrer (Monash), har kombineret smart kemi og avancerede elektroniske målinger til at udvikle en ny topologisk isolator med en "bred" båndafstand på over 300 meV, som er 12 gange større end termisk energi i et rumtemperatur system.

Undersøgelsens hovedforfatter, en Weiyao Zhao, en ph.d. studerende på Wollongong forklarer, "Det særlige aspekt af dette materiale er kombinationen af ​​en bred båndgap, og eksistensen af ​​en robust overfladetilstand. "

Tidligere undersøgelser har antydet, at substitution af svovl til en Sb ₂ Te ₃ eller Bi ₂ Te ₃ topologiske isolatorer ville resultere i et større båndgab. Imidlertid, dette er meget vanskeligt i praksis, fordi krystalstrukturen bliver ustabil på grund af atomenes størrelse ikke matcher.

For at opnå stabilitet, Zhao brugte en ordning baseret på co-substitution af svovl afbalanceret med en lille mængde større vanadium og tinioner, hvilket resulterede i det komplekse materiale Vx:Bi _1,08 -xSn _0,02 Sb _0,9 Te ₂ S. Sådanne forbindelser kaldes undertiden i spøg som "telefonnummer" -forbindelser af fysikere og kemikere på grund af deres lange kemiske formler.

Denne forbindelse var kulminationen på to års eksperimenter med Zhao, der nu er i det sidste år af sin ph.d. på Wollongong.

Et centralt fund var det klare bevis på et stigende båndgab, der skaleres med vanadiumindhold. I tandem, ved hjælp af en transportteknik baseret på observation af kvantesvingninger for magnetfelter i forskellige vinkler, holdet var i stand til at demonstrere, at overfladetilstanden er aktiv op til de store temperaturer på 50 K. Dette placerer materialet på niveau med de bedst kendte topologiske isolatorer.

Med det store indre båndgab er der store muligheder for yderligere at øge driftstemperaturerne ved at reducere defektkoncentrationer og implementere nanofabrikationsteknikker.

Professor Wang sagde "Vi er i stand til at observere den robuste topologiske 2-D overfladetilstand ved temperaturer så høje som 50K i magnetfelter op til 14 Tesla på topologiske isolatorkrystaller i stor størrelse. Dette er bemærkelsesværdigt, som store 3D-topologiske isoleringskrystaller kan bruges som en ny klasse af substrat til at være vært for nye kvantetilstande såsom Majorana fermioner og andre spinafhængige effekter. "

Denne udvikling passer med temaet muliggørelse af teknologi inden for FLEET, der har til formål at udvikle materialer, der kan fungere ved høj temperatur for at erstatte silicium i computingsteknologier.

Papiret, "Kvantesvingninger af robust topologisk overfladetilstand op til 50 K i tyk bulkisolerende topologisk isolator, "blev offentliggjort i npj Quantum Materials .