Topologiske materialer til informationsteknologi tilbyder tabsfri transmission af signaler

Nye eksperimenter med magnetisk dopede topologiske isolatorer på BESSY II har afsløret mulige metoder til tabsfri signaltransmission, der involverer et overraskende selvorganiseringsfænomen. I fremtiden, det kan være muligt at udvikle materialer med sådanne egenskaber ved stuetemperatur, der kan bruges som behandlingsenheder i kvanteberegning, for eksempel. Undersøgelsen er offentliggjort i Natur .

Nye effekter inden for faststoffysik opdages ofte først ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt (0 Kelvin eller -273 °C). Yderligere forskning kan så afgøre, om og hvordan disse fænomener også kan induceres ved stuetemperatur. Superledning blev oprindeligt observeret i kviksølv under 4 Kelvin for mere end 100 år siden. I dag, der er mange højtemperatur-superledere, der leder elektrisk strøm uden resistive tab ved temperaturer så høje som 138 Kelvin eller endda 200 Kelvin (rekorden holdt af H2S).

Quantised Anomalous Hall Effect (QAHE) blev observeret for første gang i en magnetisk doteret topologisk isolator under 50 millikelvin i 2013. Svarende til superledning, denne effekt tillader tabsfri ladningstransport inden for prøvernes tynde kantkanaler. I mellemtiden forskere har øget den maksimale temperatur, hvor effekten kan observeres, op til omkring 1 Kelvin.

Imidlertid, baseret på teoretiske overvejelser, QAHE bør forekomme ved meget højere temperaturer. Så det er et mysterium, hvorfor det ikke sker. En kritisk parameter er kendt som prøvens magnetiske energigab, det er aldrig blevet målt det før. Jo større dette hul er, jo mere stabil bør effekten være over for temperaturens indflydelse.

Et internationalt team ledet af HZB-fysiker Prof. Dr. Oliver Rader og Prof. Dr. Gunther Springholz fra University of Linz har opnået et gennembrud. Via fotoelektronspektroskopi med synkrotronstråling af BESSY II, de har været i stand til at måle energigabet i en sådan prøve for første gang. For at opnå dette, ARPES1-kuben blev brugt til at nå ekstremt lave temperaturer; forskerne brugte det russisk-tyske laboratoriums nye spin-opløsningsevne på BESSY II. Overraskende nok, kløften var faktisk fem gange større end teoretisk forudsagt.

Forskerne fandt også en simpel årsag til dette resultat:"Vi ved nu, at mangan-doping ikke sker på en uordnet måde. Tværtimod, det forårsager lagdeling kendt som en overbygning i materialet - lag meget som en butterdej, " forklarer Springholz. "Ved at tilføje nogle få procent mangan, skiftende enheder på syv og fem lag skabes. Dette får manganet til fortrinsvis at blive indeholdt i de syv-lags enheder og kan således generere energigabet meget mere effektivt."

Rader siger i bakspejlet, at forskernes fantasi i at bruge dopingmidler ikke har strakt sig langt nok til dato. De brugte trivalente grundstoffer såsom chrom og vanadium, der har magnetiske egenskaber til at erstatte vismut i bismuthtellurid (Bi) ₂ Te ₃ ), med dopingatomerne i en uordnet tilstand. Årsagen til dette virkede meget overbevisende:Trivalente magnetiske grundstoffer bidrager med tre elektroner til kemiske bindinger, og deres kemiske valens fører disse grundstoffer til vismutstederne.

Med mangan, situationen er anderledes. Da mangan er bivalent, det passer ikke rigtig godt ind på vismutstederne. Det er tilsyneladende derfor, at systemet bliver radikalt omstruktureret og skaber et nyt dobbeltlag af atomer, hvori mangan kan inkorporeres bivalent. "På denne måde en struktur skabes på en selvorganiseret måde, hvor mangan kan producere det store magnetiske energigab, " forklarer Rader.

Hvis disse selvorganiseringsfænomener udnyttes på bestemte måder, så kan helt nye konfigurationer opstå for magnetiske topologiske materialer, ifølge Springholz. I princippet, det mellemrum, der nu er blevet målt, er allerede så stort, at det burde muliggøre konstruktion af en næsten stuetemperatur QAHE fra passende komponenter. Imidlertid, andre parametre mangler stadig at blive forbedret. En magnetisk topologisk isolator som denne i kombination med en almindelig superleder kunne også tillade realiseringen af ​​en kvantebehandlingsenhed (Qbit) til en kvantecomputer.