Kvanteisolatorer skaber flersporede motorveje til elektroner

Nye energieffektive elektroniske enheder kan være mulige takket være forskning, der demonstrerer den kvanteanomale Hall-effekt (QAH) - hvor en elektrisk strøm ikke mister energi, når den flyder langs materialets kanter - over en bredere række af forhold. Et team af forskere fra Penn State har eksperimentelt indset QAH-effekten i en flerlagsisolator, hovedsageligt at producere en flersporet motorvej til transport af elektroner, der kunne øge hastigheden og effektiviteten af ​​informationsoverførsel uden energitab.

"Lavt energiforbrug er nøglen i elektroniske enheder, så der er en masse forskning i materialer, der kan forbedre effektiviteten af ​​elektronstrømmen, " sagde Cui-Zu Chang, assisterende professor i fysik ved Penn State, der ledede forskningen. "At øge antallet af elektroner i de fleste metaller resulterer i en slags trafikprop, fordi elektroner, der bevæger sig i forskellige retninger, bliver spredt og frastøder hinanden. Men i QAH-isolatorer, elektronstrømmen er begrænset til kanterne, og elektroner på den ene kant kan kun gå i én retning, og dem på den anden kant kan kun gå i den modsatte retning, som at dele en vej op i en to-sporet motorvej. I dette studie, vi fremstillede QAH-isolatorer, der kunne lægges i lag for at skabe parallelle motorveje oven på hinanden."

QAH-isolatorer er skabt i et materiale kaldet en topologisk isolator - et tyndt lag film med en tykkelse på kun et par dusin atomer - der er blevet gjort magnetiske, så de kun leder strøm langs kanterne. For at gøre topologiske isolatorer magnetiske, forskere tilføjer magnetiske urenheder til materialet i en proces kaldet fortyndet magnetisk doping. I dette studie, forskerholdet i Penn State brugte en teknik kaldet molekylær stråleepitaxi til at fremstille flerlagede topologiske isolatorer, nøje kontrol med, hvor magnetisk doping fandt sted.

"QAH-isolatorer er af særlig interesse, fordi de teoretisk ikke har nogen energiafledning, hvilket betyder, at elektroner ikke mister energi i form af varme, da elektrisk strøm løber langs kanterne, " sagde Chao-Xing Liu, lektor i fysik ved Penn State og medforfatter til papiret. "Denne unikke egenskab gør QAH-isolatorer til en god kandidat til brug i kvantecomputere og andre små, hurtige elektroniske enheder."

I tidligere undersøgelser, QAH-effekten var kun eksperimentelt blevet realiseret i materialer, hvor en vigtig mængde kaldet Chern-tallet havde en værdi på 1, i det væsentlige med en enkelt to-sporet motorvej til elektroner. I dette studie, forskerne stablede skiftende lag af magnetiske og ikke-magnetiske topologiske isolatorer og var i stand til at realisere QAH-tilstanden med Chern-tal op til 5, i det væsentlige at konstruere 5 parallelle motorveje til elektroner på hver side af materialet til i alt 10 baner. De præsenterer deres resultater i et papir, der vises online den 16. december i tidsskriftet Natur .

"Vi ser en vis spredning af strøm ved forbindelsespunkter mellem QAH-isolatorer og metalliske elektroder, som opstår i form af varme, " sagde Liu. "Du kan tænke på det som til- og frakørselsramperne på en travl motorvej, hvor den smalle flettebane til lokaltrafik bremser dig. Ved at bygge flere parallelle motorveje, flere flettebaner kan forbinde motorvejene med lokal trafik, så den samlede hastighed i hele trafiksystemet kan forbedres væsentligt."

Forskerne fandt ud af, at ved at øge tykkelsen af ​​QAH-isolatorlagene, eller ved at manipulere koncentrationen af ​​magnetisk doping i QAH-laget, de kunne tune Chern-nummeret på prøven. "Med andre ord, vi kunne ændre antallet af vognbaner på motorvejen med en ekstern knap, " sagde Chang. "Selv ved høje Chern-tal, QAH-isolatorerne havde ingen spredning langs kantkanalerne. Dette giver et proof-of-concept for enheder, der udnytter denne dissipationsfri kantstrøm."

I dette studie, forskerne fremstillede omhyggeligt separate QAH-isolatorer med forskellige Chern-numre. I fremtiden, de håber at udvikle en teknik til at tune Chern-nummeret på en allerede fremstillet prøve, til "real-time" kontrol af elektrontrafikken i en informationsmotorvej.

At omsætte det grundlæggende fremskridt i denne undersøgelse til en praktisk teknologi er stadig en udfordring, da de fænomener, der er studeret her, er begrænset til meget lave temperaturer - omkring en hundrededel af en grad Kelvin over det absolutte nulpunkt. Men Chang er optimistisk:"Gennem kreativ materialesyntese, vi kan forestille os scenarier, der kan hjælpe os med at realisere disse effekter under teknologisk relevante forhold."