Observation af topologiske kanttilstande ved hjælp af moiré-mønstre

NUS-fysikere har fundet en ny måde at skabe og tune de topologiske kanttilstande i todimensionelle (2-D) topologiske isolatorer (TI'er) til potentielle spintroniske enhedsapplikationer.

En TI er et materiale, der opfører sig som en isolator i dets indre, men hvis overflade indeholder ledende tilstande, betyder, at elektroner kun kan bevæge sig langs overfladen af ​​materialet. Tilsvarende en 2-D TI er et isolerende 2-D materiale, men hvis elektroner får lov til at bevæge sig langs dens kanter. 2-D TI'er er lovende kandidater til spinelektronik og enheder med minimal/ ubetydelig energiafledning, såsom kvantecomputere og ultra-lavenergi elektroniske enheder. Imidlertid, fremstillingen af ​​robuste TI'er og den pålidelige tuning af deres topologiske tilstande er udfordrende. I særdeleshed, 2-D bismuthen (vismut monolag med en honeycomb atomstruktur) forudsiges som den bedste kandidat til en 2-D TI, men forberedelsen af ​​fritstående tilstande i et enkelt lag bismuthen er stadig ikke blevet realiseret, og substratets indflydelse på de topologiske tilstande er ukendt.

Et forskerhold ledet af prof Andrew WEE fra Institut for Fysik, NUS har med succes skabt en bismuthen-homostruktur ved hjælp af molekylær stråleepitaksi (MBE). Ved at bruge denne lavtemperaturaflejringsmetode, et enkelt lag bismuthen kan dyrkes på et enkelt lag af sort-fosforlignende bismuthlag (BP-Bi) for at danne en lodret homostruktur med forskellige rotationsvinkler mellem de to lag. Da de to lag i homostrukturen har forskellige atomarrangementer, interlagens interaktion mellem disse to lag er observeret at være stort set reduceret og periodisk ændret. Dette resulterer i et næsten fritstående bismuthen-monolag med afstembare topologiske kanttilstande.

Moiré-mønstre er interferensmønstre med stort område, der frembringes, når et periodisk gitter overlejres på et andet lignende gitter, typisk ved en lille relativ rotationsvinkel. Denne nye metode til at bruge moiré-mønsteret dannet ved at rotere to 2-D materialer i forhold til hinanden kan potentielt bruges til målrettet at kontrollere enhedens ydeevne.

Dr. GOU Jian, en stipendiat i teamet, forklaret, "I modsætning til 3-D halvledere, hvor de elektroniske egenskaber er afstemt ved introduktionen af ​​dopingatomer, egenskaberne af atomisk tynde 2-D materialer modificeres let af dopingatomer. Derfor, observation af topologisk tilstandsmodulation ved hjælp af en bismuthen-homostruktur tilbyder en skadefri metode til at kontrollere de elektroniske tilstande i 2-D TI-enheder."

"Det spændende felt af twistronics er for nylig blevet demonstreret i grafen, og dette arbejde med bismuthen afslører sin skønhed ved at afdække de topologiske kanttilstande i et 2-D materiale, " tilføjede Prof Wee.

Holdet planlægger at undersøge sådanne nye moiré-mønstre yderligere, i håbet om at realisere mere robust tuning af de elektroniske tilstande i 2-D TI'er.